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1 1 引 言 从 工 厂 企 业 到 居 民 家 庭, 酒 精 泄 露 的 检 测 监 控 以 及 对 酒 后 驾 车 的 监 测 对 居 民 的 人 身 和 财 产 安 全 都 是 十 分 重 要 且 必 不 可 少 的 同 时, 随 着 我 国 经 济 的 高 速 发 展, 人 民 的 生 活 水 平 迅 速 提 高, 越 来 越 多 的 人 有 了 自 己 的 私 家 车, 酒 后 驾 车 是 导 致 交 通 事 故 的 一 个 主 要 因 素, 资 料 显 示, 我 国 近 几 年 发 生 的 重 大 交 通 事 故 中, 有 将 近 三 分 之 一 是 由 酒 后 驾 车 引 起 的 由 于 人 们 安 全 意 识 增 强, 对 环 境 安 全 性 和 生 活 舒 适 性 要 求 的 提 高, 为 了 防 止 机 动 车 辆 驾 驶 人 员 酒 后 驾 车, 现 场 实 时 对 人 体 呼 气 中 酒 精 含 量 的 检 测 已 日 益 受 到 重 视, 酒 精 浓 度 测 试 仪 逐 渐 得 到 广 泛 应 用 此 外, 酒 精 测 试 仪 也 可 应 用 于 食 品 加 工 酿 酒 等 需 要 监 控 空 气 中 酒 精 浓 度 的 场 合 如 今, 气 体 传 感 器 向 低 功 耗 多 功 能 集 成 化 方 向 的 发 展, 因 此, 具 有 十 分 广 阔 的 现 实 市 场 和 潜 在 的 市 场 要 求 综 观 现 有 的 酒 精 检 测 器, 系 统 实 现 方 案 上 大 部 分 以 单 片 机 为 基 础, 并 借 助 相 应 的 外 围 电 路, 将 检 测 结 果 通 过 LED LCD 等 显 示 方 式 告 知 使 用 者 本 设 计 用 的 MQK2 酒 精 传 感 器 就 是 一 种 对 气 体 敏 感 的 化 学 传 感 器, 它 能 随 着 外 部 气 体 的 浓 度 或 不 同 而 改 变 敏 感 膜 的 电 阻 系 统 选 AT89S52 单 片 机 为 控 制 核 心, 对 检 测 到 的 气 体 状 况 进 行 相 应 的 处 理 分 析 处 理 和 显 示, 并 通 过 报 警 进 行 提 示 关 键 词 : 酒 精 传 感 器 MQK2 AT89S52 单 片 机 报 警 第 1 页

2 第 一 章 气 敏 传 感 器 2. 1 气 敏 传 感 器 工 作 原 理 气 敏 电 阻 是 一 种 半 导 体 敏 感 器 件, 它 是 利 用 气 体 的 吸 附 而 使 半 导 体 本 身 的 电 导 率 发 生 变 化 这 一 机 理 来 进 行 检 测 的 人 们 发 现 某 些 氧 化 物 半 导 体 材 料 如 SnO2 ZnO Fe2O3 MgO NiO BaTiO3 等 都 具 有 气 敏 效 应 气 敏 传 感 器 是 一 种 检 测 特 定 气 体 的 传 感 器 它 主 要 包 括 半 导 体 气 敏 传 感 器 接 触 燃 烧 式 气 敏 传 感 器 和 电 化 学 气 敏 传 感 器 等, 其 中 用 的 最 多 的 是 半 导 体 气 敏 传 感 器 它 的 应 用 主 要 有 : 一 氧 化 碳 气 体 的 检 测 瓦 斯 气 体 的 检 测 煤 气 的 检 测 氟 利 昂 (R11 R12) 的 检 测 呼 气 中 乙 醇 的 检 测 人 体 口 腔 口 臭 的 检 测 等 等 它 将 气 体 种 类 及 其 与 浓 度 有 关 的 信 息 转 换 成 电 信 号, 根 据 这 些 电 信 号 的 强 弱 就 可 以 获 得 与 待 测 气 体 在 环 境 中 的 存 在 情 况 有 关 的 信 息, 从 而 可 以 进 行 检 测 监 控 报 警 ; 还 可 以 通 过 接 口 电 路 与 计 算 机 组 成 自 动 检 测 控 制 和 报 警 系 统 半 导 体 气 敏 传 感 器 对 于 低 浓 度 气 体 具 有 很 高 的 灵 敏 度, 具 有 嗅 觉 功 能, 能 自 动 检 测 瓦 斯 浓 度 一 旦 瓦 斯 超 限, 气 敏 传 感 器 即 可 自 动 报 警, 然 后 采 取 先 抽 后 采 的 原 则, 即 可 防 止 瓦 斯 爆 炸 事 故 的 发 生 半 导 体 气 敏 传 感 器 是 利 用 待 测 气 体 在 半 导 体 表 面 的 氧 化 和 还 原 反 应 导 致 敏 感 元 件 阻 值 变 化 来 检 测 气 体 的 种 类 和 浓 度 的 当 半 导 体 器 件 被 加 热 到 稳 定 状 态, 在 气 体 接 触 半 导 体 表 面 而 被 吸 附 时, 被 吸 附 的 分 子 首 先 在 表 面 自 由 扩 散, 失 去 运 动 能 量, 一 部 分 分 子 被 蒸 发 掉, 另 一 部 分 残 留 分 子 产 生 热 分 解 而 固 定 在 吸 附 处 时, 如 果 半 导 体 的 功 函 数 大 于 吸 附 分 子 的 离 解 能, 吸 附 分 子 将 向 器 件 释 放 电 子, 而 形 成 正 离 子 吸 附 如 H2 CO 碳 氢 化 合 物 等, 被 称 为 还 原 型 气 体 当 还 原 型 气 体 吸 附 到 N 型 半 导 体 上 时, 载 流 子 增 多, 使 半 导 体 电 阻 值 下 降 2.2 气 敏 传 感 器 气 敏 传 感 器 是 酒 精 检 测 系 统 的 核 心, 通 常 安 装 在 探 测 头 内 从 本 质 上 讲 气 敏 传 感 器 是 一 种 将 某 种 气 体 的 体 积 分 数 转 化 成 对 应 电 信 号 的 转 换 器 探 测 头 通 过 气 敏 传 感 器 对 气 体 样 品 进 行 调 理, 通 常 包 括 滤 除 杂 质 和 干 扰 气 体 干 燥 或 制 冷 处 理 样 品 抽 吸, 甚 至 对 样 品 进 行 化 学 处 理, 以 便 化 学 传 感 器 进 行 更 快 速 的 测 量 目 前 普 遍 使 用 的 气 敏 传 感 器 有 燃 料 电 池 型 ( 电 化 学 型 ) 和 半 导 体 型 两 种 他 第 2 页

3 们 能 够 制 造 便 携 型 呼 气 酒 精 浓 度 测 试 器, 适 合 于 现 场 使 用 与 半 导 体 传 感 器 相 比, 燃 料 电 池 酒 精 传 感 器 具 有 稳 定 性 好 精 度 高 抗 干 扰 性 好 等 优 点 由 于 燃 料 电 池 酒 精 传 感 器 的 结 构 要 求 很 精 密, 制 造 难 度 大, 目 前 世 界 上 只 有 美 国 德 国 英 国 等 少 数 几 个 国 家 能 够 生 产 本 测 试 器 采 用 MQK2 酒 精 浓 度 传 感 器, 检 测 人 体 呼 出 气 体 中 酒 精 浓 度 并 且 输 出 电 压 信 号 MQK2 酒 精 浓 度 传 感 器 主 要 由 气 敏 元 件 和 电 阻 丝 组 成, MQK2 传 感 器 外 接 +5V 电 压 时, 能 将 电 阻 丝 加 热 到 270 ~300, 电 路 将 MQK2 传 感 器 的 阻 值 变 化 转 化 成 输 出 电 压 的 变 化, 从 而 可 以 通 过 A/D 转 换 成 数 字 量 供 单 片 机 处 理 根 据 分 析, 乙 醇 浓 度 增 加 时 元 件 电 阻 R 减 小 反 之 异 亦 反, 所 以 呼 出 气 体 中 的 气 态 乙 醇 逐 渐 扩 散 后 元 件 电 阻 R 敏 感 的 变 化 第 二 章 发 展 的 现 状 在 应 用 方 面, 目 前 最 广 泛 的 是 可 燃 性 气 体 气 敏 元 件 传 感 器, 已 普 及 应 用 于 气 体 泄 漏 检 测 和 监 控, 从 工 厂 企 业 到 居 民 家 庭, 应 用 十 分 广 泛 一 是 气 体 传 感 器 向 低 功 耗 多 功 能 集 成 化 方 向 发 展 国 外 气 体 传 感 器 发 展 很 快 二 是 增 强 可 靠 性, 实 现 元 件 和 应 用 电 路 集 成 化, 多 功 能 化, 发 展 MEMS 技 术, 发 展 现 场 适 用 的 变 送 器 和 智 能 型 传 感 器 气 体 传 感 器 向 低 功 耗 多 功 能 集 成 化 方 向 发 展 国 外 气 体 传 感 器 发 展 很 快, 一 方 面 是 由 于 人 们 安 全 意 识 增 强, 对 环 境 安 全 性 和 生 活 舒 适 性 要 求 提 高 ; 另 一 方 面 是 由 于 传 感 器 市 场 增 长 受 到 政 府 安 全 法 规 的 推 动 因 此, 国 外 气 体 传 感 器 技 术 得 到 了 较 快 发 展, 据 有 关 统 计 猜 测, 美 国 1996 年 2002 年 气 体 传 感 器 年 均 增 长 率 为 (27~30)% 目 前, 气 体 传 感 器 的 发 展 趋 势 集 中 表 现 为 : 一 是 提 高 灵 敏 度 和 工 作 性 能, 降 低 功 耗 和 成 本, 缩 小 尺 寸, 简 化 电 路, 与 应 用 整 机 相 结 合, 这 也 是 气 体 传 感 器 一 直 追 求 的 目 标 如 日 本 费 加 罗 公 司 推 出 了 检 测 (0.1~10) 10-6 硫 化 氢 低 功 耗 气 体 传 感 器, 美 国 IST 提 供 了 寿 命 达 10 年 以 上 的 气 体 传 感 器, 美 国 FirstAlert 公 司 推 出 了 生 物 模 拟 型 ( 光 化 反 应 型 ) 低 功 耗 CO 气 体 传 感 器 等 二 是 增 强 可 靠 性, 实 现 元 件 和 应 用 电 路 集 成 化, 多 功 能 化, 发 展 MEMS 技 术, 发 展 现 场 适 用 的 变 送 器 和 智 能 型 传 感 器 如 美 国 GeneralMonitors 公 司 在 传 感 器 中 嵌 入 微 处 理 器, 使 气 体 传 感 器 具 有 控 制 校 准 和 监 视 故 障 状 况 功 能, 实 现 了 智 能 化 ; 还 有 前 已 第 3 页

4 涉 及 的 美 国 IST 公 司 的 具 有 微 处 理 器 的 MegaGas 传 感 器 实 现 了 智 能 化 多 功 能 化 国 内 现 状 与 差 距 气 敏 元 件 传 感 器 作 为 新 型 敏 感 元 件 传 感 器 在 国 家 列 为 重 点 支 持 发 展 的 情 况 下, 国 内 已 有 一 定 的 基 础 其 现 状 是 : (1) 烧 结 型 气 敏 元 件 仍 是 生 产 的 主 流, 占 总 量 90% 以 上 ; 接 触 燃 绕 式 气 敏 元 件 已 具 备 了 生 产 基 础 和 能 力 ; 电 化 学 气 体 传 感 器 有 了 试 制 产 品 ; (2) 在 工 艺 方 面 引 入 了 表 面 掺 杂 表 面 覆 膜 以 及 制 作 表 面 催 化 反 应 层 和 修 隔 离 层 等 工 艺, 使 烧 结 型 元 件 由 广 谱 性 气 敏 发 展 成 选 择 性 气 敏 ; 在 结 构 方 面 研 制 了 补 偿 复 合 结 构 组 合 差 动 结 构 以 及 集 成 化 阵 列 结 构 ; 在 气 敏 材 料 方 面 SnO2 和 Fe2O3 材 料 已 用 于 批 量 生 产 气 敏 元 件, 新 研 究 开 发 的 Al2O3 气 敏 材 料 石 英 晶 体 和 有 机 半 导 体 等 也 开 始 用 于 气 敏 材 料 ; (3) 低 功 耗 气 敏 元 件 ( 如 一 氧 化 碳, 甲 烷 等 气 敏 元 件 ) 已 从 产 品 研 究 进 入 中 试 ; (4) 国 内 气 敏 元 件 传 感 器 产 量 已 超 过 九 五 初 期 的 400 万 支 产 量 超 过 20 万 支 的 主 要 厂 家 有 5 家, 黑 龙 江 敏 感 集 团 太 原 电 子 厂 云 南 春 光 器 材 厂 天 津 费 加 罗 公 司 ( 合 资 ) 北 京 电 子 管 厂 ( 特 种 电 器 厂 ), 其 中 前 四 家 都 超 过 100 万 支, 据 行 业 协 会 统 计,1998 年 全 国 气 敏 元 件 总 产 量 已 超 过 600 万 支 总 的 看 来, 我 国 气 敏 元 件 传 感 器 及 其 应 用 技 术 有 了 较 快 进 展, 但 与 国 外 先 进 水 平 仍 有 较 大 的 差 距, 主 要 是 产 品 制 造 技 术 产 业 化 及 应 用 等 方 面 的 差 距, 与 日 本 比 较 仍 要 落 后 10 年 市 场 需 求 分 析 气 敏 元 件 传 感 器 及 其 应 用 产 品 具 有 十 分 广 阔 的 现 实 市 场 和 潜 在 的 市 场 需 求 以 4 类 气 敏 元 件 传 感 器 为 例, 作 简 要 市 场 需 求 分 析 (1) 可 燃 性 气 体 气 敏 元 件 传 感 器 这 是 需 求 量 最 大 的 一 类 气 敏 元 件 传 感 器, 包 含 各 种 烷 类 和 有 机 蒸 气 类 (VOC) 气 体, 目 前 大 量 应 用 于 抽 油 烟 机 泄 漏 报 警 器 和 空 气 清 新 机, 已 形 成 批 量 生 产 规 第 4 页

5 模, 每 年 约 有 500 万 支 以 上 的 市 场 随 着 在 油 田 矿 区 化 工 企 业 及 家 庭 等 生 产 生 活 领 域 广 泛 用 作 气 体 泄 漏 报 警, 非 凡 是 用 于 家 庭 气 体 泄 漏 报 警, 如 液 化 石 油 气 天 燃 气 及 其 他 可 燃 性 气 体 的 检 测 报 警 等, 预 计 在 2001 年 2005 年 将 会 有 成 倍 需 求 (2) 一 氧 化 碳 和 氢 气 气 敏 元 件 传 感 器 这 两 种 也 是 最 有 需 求 量 的 气 敏 元 件 传 感 器 一 氧 化 碳 气 敏 元 件 可 用 于 工 业 生 产 环 保 汽 车 家 庭 等 一 氧 化 碳 泄 漏 和 不 完 全 燃 烧 检 测 报 警 ; 氢 气 气 敏 元 件 除 工 业 等 领 域 应 用 外 也 同 一 氧 化 碳 气 敏 元 件 一 样, 广 泛 用 于 家 庭 管 道 煤 气 泄 漏 报 警 由 于 我 国 管 道 煤 气 中 氢 气 含 量 高, 而 氢 敏 元 件 较 之 一 氧 化 碳 元 件 价 格 低, 灵 敏 度 高, 因 此, 用 氢 敏 元 件 做 城 市 管 道 煤 气 泄 漏 报 警 更 为 适 宜 由 于 管 道 煤 气 泄 漏 灶 具 不 合 格 导 致 不 完 全 燃 烧 而 造 成 CO 中 毒 等 灾 难 事 故 是 十 分 严 重 的, 每 年 都 给 我 们 留 下 惨 痛 的 后 果, 仅 哈 尔 滨 市 1998 年 11 月 2 日 一 次 管 道 煤 气 泄 漏 事 故 就 造 成 37 人 中 毒,8 人 死 亡 因 此, 安 装 煤 气 报 警 器 已 成 为 政 府 为 保 护 人 民 生 命 财 产 安 全 而 强 制 推 动 的 一 项 措 施 目 前 我 国 已 有 黑 龙 江 省 山 西 省 哈 尔 滨 市 青 岛 市 等 发 布 文 件 随 着 城 市 燃 气 化 的 扩 大 政 府 立 法 和 人 民 安 全 保 护 意 识 的 提 高, 城 市 家 庭 安 装 气 体 报 警 器 必 将 很 快 推 广 普 及, 一 氧 化 碳 氢 气 敏 元 件 传 感 器 的 需 求 量 将 会 急 剧 增 加 美 国 已 有 7 个 州 11 个 城 市 通 过 立 法 要 求 家 庭 安 装 CO 报 警 器 据 统 计, 按 一 间 卧 室 安 装 一 台 CO 报 警 器 计 算, 美 国 CO 报 警 器 市 场 应 该 是 9400 万 台, 按 目 前 价 格 计 算 是 38 亿 美 元, 而 且 每 年 可 新 增 40 万 台 早 在 1994 年, 我 国 城 市 燃 气 用 户 就 达 到 2978 万 户, 用 气 人 口 万 人 我 国 660 个 城 市, 有 液 化 石 油 气 的 城 市 513 个, 同 时 兼 有 人 工 煤 气 的 城 市 170 个, 有 天 然 气 城 市 55 个, 国 家 计 划 到 2000 年 城 市 人 口 平 均 气 化 率 达 到 60%~70% 目 前 大 约 有 1.2 亿 居 民 约 (3000~4000) 万 户 使 用 燃 气, 按 这 些 燃 气 用 户 的 40% 安 装 气 体 报 警 器 计 算, 需 求 量 就 达 1200 万 台 以 上 而 随 着 城 市 燃 气 应 用 的 扩 大, 用 气 人 口 增 多, 报 警 器 需 求 量 必 将 迅 速 增 加 另 一 个 需 要 安 装 气 体 报 警 器 的 是 使 用 燃 气 热 水 器 非 凡 是 直 排 式 燃 气 热 水 器 的 场 所 由 于 燃 气 热 水 器 使 用 不 当 或 质 量 变 坏 发 生 不 完 全 燃 烧, 造 成 CO 中 毒 现 象 时 有 发 生, 南 京 上 海 福 洲 北 京 衡 阳 等 都 有 过 报 道 仅 据 来 自 中 国 消 费 者 协 会 的 投 诉 统 计,1998 年 全 国 就 有 16 人 死 于 燃 气 热 水 器 事 故, 伤 4 人, 残 2 人, 比 1997 年 上 升 了 200% 为 防 止 灾 难 事 故, 安 装 CO 报 警 器 十 分 重 要 目 前 第 5 页

6 我 国 颁 发 燃 气 热 水 器 生 产 许 可 证 企 业 153 家, 燃 气 热 水 器 社 会 拥 有 量 已 在 3000 万 台 以 上, 其 中 50% 以 上 是 直 排 式 为 了 安 全, 国 家 技 术 监 督 局 已 发 布 强 制 性 标 准 (GB ), 要 求 燃 气 热 水 器 必 须 有 防 止 不 安 全 燃 烧 的 保 护 装 置 要 求 上 述 热 水 器 5 年 内 安 装 完 CO 报 警 ( 控 制 ) 器, 仅 此 每 年 就 需 要 600 万 台 显 然, 其 需 求 量 是 相 当 大 的 (3) 氧 传 感 器 氧 传 感 器 应 用 很 广 泛, 在 环 保 医 疗 冶 金 交 通 等 领 域 需 求 量 很 大 以 汽 车 用 氧 传 感 器 为 例, 为 提 高 汽 车 性 能, 降 低 排 气 污 染, 国 外 已 采 用 电 子 燃 油 喷 射 系 统 (EFI) 代 替 化 油 器, 如 美 国 德 国 和 日 本,EFI 系 统 的 装 车 率 已 分 别 达 100 % 98% 和 90% 我 国 八 五 期 间 将 EFI 列 入 国 家 科 委 攻 关 计 划 经 过 攻 关, 现 已 在 切 诺 基 小 红 旗 桑 塔 纳 等 轿 车 上 成 功 安 装 了 EFI, 在 一 个 发 动 机 电 子 喷 射 系 统 中 要 使 用 温 度 压 力 气 体 爆 震 位 置 等 传 感 器 (6~8) 个, 其 中 氧 气 传 感 器 是 控 制 发 动 机 点 火 和 尾 气 排 放 的 最 主 要 的 传 感 器 一 套 闭 环 控 制 系 统 要 用 (1~2) 氧 传 感 器 目 前 我 国 尚 不 能 生 产 汽 车 用 氧 传 感 器, 主 要 依 靠 进 口 预 计 到 2000 年 后, 国 内 氧 传 感 器 配 套 将 有 大 的 需 求, 如 上 海 汽 车 电 子 有 限 公 司,EFI 系 统 年 产 能 力 为 120 万 套, 全 部 配 套 传 感 器 就 要 240 万 支 我 国 1998 年 汽 车 生 产 超 过 10 万 辆 的 有 上 海 大 众 一 汽 天 汽 东 风 长 安 柳 州 五 菱 等 六 家 企 业 按 此 估 计, 仅 用 于 汽 车 的 氧 传 感 器, 我 国 年 需 量 也 要 在 500 万 支 以 上 第 三 章 系 统 硬 件 设 计 1.1 系 统 整 体 设 计 方 案 单 片 机 酒 精 浓 度 测 试 仪 用 MQK2 酒 精 传 感 器 采 集 气 体 信 号, 并 通 过 数 模 转 换 器 将 模 拟 信 号 转 换 成 数 字 信 号 送 至 单 片 机, 单 片 机 对 数 字 信 号 进 行 分 析 处 理, 并 将 所 得 的 结 果 显 示 出 来, 可 以 通 过 键 盘 设 置 不 同 环 境 下 酒 精 浓 度 的 不 同 阀 值, 如 果 所 检 测 出 的 酒 精 浓 度 超 过 了 所 设 定 的 阀 值, 那 么 单 片 机 就 能 控 制 蜂 鸣 器 发 出 声 音 报 警 键 盘 采 用 3 个 独 立 键 盘 进 行 数 据 输 入 设 定 ; 显 示 部 分 用 5 个 数 码 管 显 示 当 前 数 据, 数 码 管 分 别 用 2 个 74HC573 锁 存 器 控 制 段 选 和 位 选 温 度 采 集 采 用 DS18B20, 与 传 统 的 热 敏 电 阻 相 比, 它 能 够 直 接 读 出 被 测 温 度, 并 且 可 根 据 实 际 要 求 通 过 简 单 的 编 程 实 现 9~12 位 的 数 字 值 读 数 方 式, 并 且 从 DS18B20 读 出 的 信 息 或 写 入 DS18B20 的 信 息 仅 需 要 一 根 口 线 ( 单 线 接 口 ) 读 写, 温 度 变 换 功 率 来 源 于 数 第 6 页

7 据 总 线, 总 线 本 身 也 可 以 向 所 挂 接 的 DS18B20 供 电, 而 无 需 额 外 电 源 经 过 软 件 处 理 送 至 数 码 管 显 示 当 前 环 境 温 度 键 盘 模 块 P2.0- P2.5 蜂 鸣 器 报 警 P2.2 单 酒 精 传 感 器 A/D 模 块 P0 片 机 DS18B20 P2.4 P1 显 示 模 块 图 1 系 统 方 框 图 2.4 MQK2 传 感 器 的 特 性 及 性 能 指 标 一 特 性 l 对 酒 精 气 体 有 很 高 的 灵 敏 度 2 具 有 良 好 的 重 复 性 和 长 期 的 稳 定 性 3 抗 干 扰, 对 酒 精 气 体 有 很 好 的 选 择 性 二 应 用 对 酒 精 气 体 的 检 测 三 特 性 参 数 l 回 路 电 压 :(Vc) 5-24V 2 取 样 电 阻 :(RL) KΩ 3 加 热 电 压 :(VH)5±0.1V 4 加 热 功 率 :(P) 约 750mW 5 灵 敏 度 :R0(air)/RS (100ppmC2H5OH)>5 6 响 应 时 间 :Tres<10 秒 7 恢 复 时 间 :Trec<30 秒 四 注 意 事 项 : 气 敏 元 件 开 始 工 作 时, 需 预 热 3-5 分 钟 后 方 可 正 常 使 用 不 要 在 蚀 性 气 体 环 境 下 工 作 五 工 作 环 境 : 温 度 相 对 湿 度 0-90%RH 第 7 页

8 六 传 感 器 输 出 电 压 与 酒 精 浓 度 关 系 通 过 测 量 MQK2 输 出 信 号 同 酒 精 浓 度 为 近 似 的 线 性 关 系, 如 图 1 所 示 图 1 酒 精 浓 度 同 输 出 电 压 的 近 似 关 系 3.1 传 感 器 信 号 采 集 电 路 电 路 的 前 端 部 分 MQK2 传 感 器 按 照 常 规 设 计 即 可, 如 图 2 所 示 MQK3 外 接 +5V 电 压 将 时, 可 将 电 阻 丝 加 热 至 270 ~300. 电 路 将 MQK2 的 阻 值 变 化 转 换 成 输 出 电 压 的 变 化, 从 而 可 以 通 过 A/D 转 换 成 数 字 信 号 供 单 片 机 处 理 在 酒 精 浓 度 为 0 时, 其 输 出 电 压 为 3v 但 由 于 其 输 出 的 电 压 范 围 超 过 了 AT89S52 的 输 入 电 压 范 围, 所 以 在 本 设 计 中 加 入 了 一 个 调 整 电 路 来 使 其 输 出 的 电 压 能 够 满 足 AT89S52 的 输 入 要 求 其 调 整 电 路 的 原 理 图 如 图 3 采 用 LM336~2.5 图 2 MKQ2 酒 精 传 感 器 电 路 作 为 一 个 2.5 V 的 基 准 电 压, 采 用 差 动 输 入 使 得 Vout=V 酒 精 -2.5V 从 而 使 得 传 感 器 信 号 的 输 出 符 合 AT89S52 的 范 围 第 8 页

9 图 3 传 感 器 处 理 电 路 3.2 A/D 转 换 电 路 模 数 转 换 电 路 的 功 能 是 将 连 续 变 化 的 模 拟 量 转 换 为 离 散 的 数 字 量, 是 架 起 模 拟 系 统 跟 数 字 系 统 之 间 连 接 的 桥 梁 对 于 本 系 统 而 言, 就 是 用 于 快 速 高 精 度 地 对 输 入 的 酒 精 浓 度 信 号 进 行 采 样 编 码, 将 其 转 换 成 单 片 机 所 能 够 处 理 的 数 字 量 模 数 转 换 电 路 是 本 系 统 的 关 键 部 分, 其 性 能 的 好 坏 直 接 影 响 整 个 系 统 的 质 量 模 数 转 换 采 用 ADC0804, 对 输 入 模 拟 量 要 求 : 信 号 单 极 性, 电 压 范 围 是 0-5V, 若 信 号 太 小, 必 须 进 行 放 大 ; 输 入 的 模 拟 量 在 转 换 过 程 中 应 该 保 持 不 变, 如 若 模 拟 量 变 化 太 快, 则 需 在 输 入 前 增 加 采 样 保 持 电 路 ADC0804 有 20 个 引 脚, 其 中 管 脚 为 数 字 信 号 输 出 端, 与 单 片 机 P1 口 相 连 ;cs 为 片 选 端, 接 单 片 机 P3.5 口, 当 cs 接 低 电 平 时 ADC0804 开 始 工 作,WR 接 P3.6 口, 当 WR 变 为 低 电 平 再 跳 变 为 高 电 平 后 启 动 A/D 转 换,RD 接 单 片 机 P3.7 口, 当 RD 由 低 电 平 跳 变 为 低 电 平 时, 单 片 机 读 走 A/D 转 换 完 的 数 字 信 号 CLK 为 时 钟 输 入 信 号 线, 因 ADC0804 的 内 部 没 有 时 钟 电 路, 所 需 时 钟 信 号 必 须 由 外 界 提 供, 通 常 使 用 频 率 为 500KHZ,VREF(+),VREF (-) 为 参 考 电 压 输 入 INTR 为 中 断 控 制 信 号, 接 单 片 机 外 部 中 断 端 口, 当 A/D 转 换 完 后 向 单 片 机 发 出 中 断 信 号, 等 待 读 走 数 字 信 号,INTR 也 空 可 置 不 接, 因 为 当 启 动 A/D 后 一 段 时 间 后 模 数 转 换 完 后, 等 待 一 段 时 间 后 单 片 机 也 可 以 读 走 数 字 量 原 理 图 如 图 4 第 9 页

10 图 4 A/D 转 换 电 路 3.3 单 片 机 系 统 AT89S52 是 一 种 低 功 耗 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器, 具 有 8K 在 系 统 可 编 程 Flash 存 储 器 使 用 Atmel 公 司 高 密 度 非 易 失 性 存 储 器 技 术 制 造, 与 工 业 80C51 产 品 指 令 和 引 脚 完 全 兼 容 片 上 Flash 允 许 程 序 存 储 器 在 系 统 可 编 程, 亦 适 于 常 规 编 程 器 在 单 芯 片 上, 拥 有 灵 巧 的 8 位 CPU 和 在 系 统 可 编 程 Flash, 使 得 AT89S52 为 众 多 嵌 入 式 控 制 应 用 系 统 提 供 高 灵 活 超 有 效 的 解 决 方 案 AT89S52 具 有 以 下 标 准 功 能 : 8k 字 节 Flash,256 字 节 RAM,32 位 I/O 口 线, 看 门 狗 定 时 器,2 个 数 据 指 针, 三 个 16 位 定 时 器 / 计 数 器, 一 个 6 向 量 2 级 中 断 结 构, 全 双 工 串 行 口, 片 内 晶 振 及 时 钟 电 路 另 外,AT89S52 可 降 至 0Hz 静 态 逻 辑 操 作, 支 持 2 种 软 件 可 选 择 节 电 模 式 空 闲 模 式 下,CPU 停 止 工 作, 允 许 RAM 定 时 器 / 计 数 器 串 口 中 断 继 续 工 作 掉 电 保 护 方 式 下,RAM 内 容 被 保 存, 振 荡 器 被 冻 结, 单 片 机 一 切 工 作 停 止, 直 到 下 一 个 中 断 或 硬 件 复 位 为 止 其 电 路 如 图 5 报 警 电 路 采 用 单 片 机 I/O 口 外 接 三 极 管 驱 动 蜂 鸣 器, 发 出 报 警 信 号, 如 图 6 所 示 第 10 页

11 图 5 单 片 机 基 本 电 路 图 6 蜂 鸣 器 电 路 图 7 独 立 键 盘 电 路 键 盘 分 编 码 键 盘 和 非 编 码 键 盘 键 盘 上 闭 合 键 的 识 别 由 专 用 的 硬 件 编 码 器 实 现, 并 产 生 键 编 码 号 或 键 值 的 称 为 编 码 键 盘, 如 计 算 机 键 盘 而 靠 软 件 编 程 来 识 别 的 称 为 非 编 码 键 盘 ; 在 单 片 机 组 成 的 各 种 系 统 中, 用 的 最 多 的 是 非 编 码 键 盘 非 编 码 键 盘 有 分 为 : 独 立 键 盘 和 行 列 式 ( 又 称 为 矩 阵 式 ) 键 盘 本 设 计 采 用 3 个 独 立 键 盘 来 输 入 数 字 量, 如 图 7 3 个 键 盘 分 别 接 单 片 机 P2.0,P2.1,P2.2 使 用 时 先 将 键 盘 借 口 初 始 化, 即 将 P2.0~P2.2 全 部 置 1, 然 后 判 断 是 否 有 键 按 下, 若 键 盘 输 入 端 变 为 低 电 平, 表 明 此 键 盘 按 下, 在 软 件 编 程 时, 注 意 键 盘 消 抖 显 示 部 分 用 4 个 数 码 管 显 示 当 前 数 据, 数 码 管 分 别 用 2 个 74HC573 锁 存 器 控 制 段 选 和 位 选, 锁 存 器 与 单 片 机 I/O 口 连 接, 位 锁 存 器 输 出 端 分 别 与 数 码 管 片 选 连 接, 段 锁 存 器 输 出 端 接 数 码 管 段 输 入 端 连 接 锁 存 器 片 选 输 入 端 为 高 电 平 时, I/O 口 数 据 输 入 锁 存 器, 当 输 入 为 低 电 平 时, 锁 存 器 关 闭 并 将 数 据 保 持 住 如 图 8 所 示 段 选 接 单 片 机 P2.6, 位 选 接 单 片 机 P2.7 第 11 页

12 图 8 显 示 电 路 部 分 3.4 DS10B20 温 度 采 集 电 路 温 度 采 集 采 用 DS18B20, DS18B20 是 美 国 DALLAS 半 导 体 公 司 最 新 推 出 的 一 种 数 字 化 单 总 线 器 件, 属 于 新 一 代 适 配 微 处 理 器 的 改 进 型 智 能 温 度 传 感 器 与 传 统 的 热 敏 电 阻 相 比, 它 能 够 直 接 读 出 被 测 温 度, 并 且 可 根 据 实 际 要 求 通 过 简 单 的 编 程 实 现 9~12 位 的 数 字 值 读 数 方 式 可 以 分 别 在 ms 和 750 ms 内 完 成 9 位 和 12 位 的 数 字 量, 并 且 从 DS18B20 读 出 的 信 息 或 写 入 DS18B20 的 信 息 仅 需 要 一 根 口 线 ( 单 线 接 口 ) 读 写, 温 度 变 换 功 率 来 源 于 数 据 总 线, 总 线 本 身 也 可 以 向 所 挂 接 的 DS18B20 供 电, 而 无 需 额 外 电 源 因 而 使 用 DS18B20 可 使 系 统 结 构 更 趋 简 单, 可 靠 性 更 高 同 时 其 一 线 总 线 独 特 而 且 经 济 的 特 点, 使 用 户 可 轻 松 地 组 建 传 感 器 网 络, 为 测 量 系 统 的 构 建 引 入 了 全 新 的 概 念 DS18B20 一 线 总 线 数 字 化 温 度 传 感 器 支 持 一 线 总 线 接 口, 测 量 温 度 范 围 为 -55 ~125, 在 -10~ +85 范 围 内, 精 度 为 ±0.5 现 场 温 度 直 接 以 一 线 总 线 的 数 字 方 式 传 输, 用 符 号 扩 展 的 16 位 数 字 量 方 式 串 行 输 出, 大 大 提 高 了 系 统 的 抗 干 扰 性 DS18B20 可 以 直 接 通 过 DQ 端 口 向 单 片 机 输 入 温 度 信 号 ( 如 图 9) DQ 接 单 片 机 P2.4 口 图 9 DS18B20 温 度 采 集 系 统 DSl8B20 数 字 温 度 计 提 供 9 位 ( 二 进 制 ) 温 度 读 数, 指 示 器 件 的 温 度 信 息 经 过 第 12 页

13 单 线 接 口 送 入 DSl8B20 或 从 DSl8B20 送 出, 因 此 从 主 机 CPU 到 DSl8B20 仅 需 一 条 线 ( 和 地 线 ) DSl8B20 的 电 源 可 以 由 数 据 线 本 身 提 供 而 不 需 要 外 部 电 源 因 为 每 一 个 DSl8B20 在 出 厂 时 已 经 给 定 了 唯 一 的 序 号, 因 此 任 意 多 个 DSl8B20 可 以 存 放 在 同 一 条 单 线 总 线 上 这 允 许 在 许 多 不 同 的 地 方 放 置 温 度 敏 感 器 件 DSl8B20 的 测 量 范 围 从 -55 到 +125, 增 量 值 为 0.5 可 在 l s( 典 型 值 ) 内 把 温 度 变 换 成 数 字 DS18B20 用 9 位 存 贮 温 值 度 最 高 位 S 为 符 号 负 温 度 S=1, 正 温 度 S=0 第 四 章 软 件 处 理 部 分 4.1 酒 精 测 量 处 理 部 分 将 传 感 器 输 出 经 调 整 后 的 模 拟 电 压 输 入 转 换 器 进 行 A/D 转 换, 采 用 ADC0804 其 操 作 时 序 图 如 下 转 换 时 序 读 走 数 字 信 号 时 序 图 10 ADC0804 控 制 信 号 时 序 图 第 13 页

14 MQK2 酒 精 传 感 器 输 出 电 压 与 酒 精 浓 度 近 似 为 线 性 关 系, 由 图 1 可 得 酒 精 浓 度 与 输 出 电 压 函 数 近 似 为 V=2.78*C+3,C 表 示 酒 精 浓 度, 单 位 为 mg/l 本 设 计 中 加 入 了 一 个 调 整 电 路 来 使 其 输 出 的 电 压 能 够 满 足 单 片 机 的 输 入 要 求, 其 输 入 与 输 出 关 系 为 VOUT=Vin-2.5V 因 此 输 入 模 拟 电 压 与 呼 出 气 体 中 的 酒 精 浓 度 的 函 数 关 系 为 V=2.78*C+0.5 当 开 始 检 测 时, 采 样 传 感 器 的 输 出 信 号, 并 准 备 A/ D 转 换 每 隔 50 ms 采 集 一 个 电 压 值, 共 采 集 10 个, 取 其 中 最 大 的 3 个 结 果, 并 计 算 其 平 均 数 由 于 传 感 器 信 号 处 理 电 路 中 酒 精 浓 度 值 和 输 出 电 压 值 之 间 有 线 性 关 系, 确 定 电 压 值 和 酒 精 浓 度 的 对 应 关 系, 最 后 输 出 酒 精 浓 度 值 整 个 过 程 流 程 图 如 图 11 所 示 浓 度 检 测 子 程 序 采 样,A/D 转 换 等 待 50ms N 得 到 10 个 结 果 Y 取 最 大 的 3 个 数 求 均 值 送 数 码 管 显 视 大 于 与 预 设 值 比 较 报 警 小 于 返 回 延 时 2 S 图 11 酒 精 浓 度 检 测 子 程 序 流 程 图 大 量 的 统 计 研 究 结 果 表 明, 如 果 被 测 者 深 吸 气 后 以 中 等 力 度 呼 气 达 三 秒 钟 上, 这 时 呼 出 的 气 就 是 从 肺 部 深 处 出 来 的 气 体 呼 气 中 的 酒 精 含 量 与 血 液 中 的 酒 第 14 页

15 精 含 量 有 如 下 关 系 : BAC(in mg/l)=brac(in mg/l)x 2200 其 中,BAC 代 表 血 液 酒 精 浓 度,BrAC 表 示 呼 气 酒 精 浓 度,in mg/l 表 示 以 每 升 中 多 少 毫 克 为 单 位 也 就 是 说, 以 毫 克 / 升 为 单 位 的 血 液 酒 精 浓 度 在 数 值 上 相 当 于 以 毫 克 / 升 为 单 位 的 呼 气 酒 精 浓 度 乘 上 系 数 2200( 由 于 各 国 的 情 况 不 同, 在 美 国 此 系 数 采 用 2000, 而 欧 洲 很 多 国 家 采 用 2100) 由 于 BrAC 受 到 环 境 温 度 湿 度 以 及 被 测 试 者 个 体 差 异 等 多 方 面 影 响, 其 测 试 结 果 不 如 直 接 检 测 BAC 准 确, 但 是 该 结 果 仍 可 作 为 判 断 饮 酒 程 度 的 重 要 参 考 我 国 对 酒 后 驾 驶 的 判 定 界 限 为 10~30 g/100 L ( 血 液 中 的 酒 精 浓 度 ) 4.2 温 度 处 理 部 分 本 系 统 软 件 部 分 主 要 包 括 :DS18B20 的 初 始 化 子 程 序 向 DS18B20 中 写 数 据 子 程 序, 从 DS18B20 中 读 数 据 子 程 序 温 度 转 换 子 程 序 和 通 信 子 程 序 软 件 系 统 流 程 图 如 图 12 所 示 开 始 否 是 否 检 测 1820 是 初 始 化 得 到 温 度 温 度 转 换 数 码 管 显 示 图 12 DS18B20 温 度 转 换 软 件 流 程 图 DSl820 工 作 过 程 及 时 序 DSl820 工 作 过 程 中 的 协 议 如 下 : 初 始 化 RoM 操 作 命 令 存 储 器 操 作 命 令 处 理 数 据 第 15 页

16 1 初 始 化 单 总 线 上 的 所 有 处 理 均 从 初 始 化 开 始 2 ROM 操 作 品 令 总 线 主 机 检 测 到 DSl820 的 存 在, 便 可 以 发 出 ROM 操 作 命 令 之 一, 这 些 命 令 如 指 令 Read ROM( 读 ROM) Match ROM( 匹 配 ROM) Skip ROM( 跳 过 ROM] Search ROM( 搜 索 ROM) 代 码 [33H] [55H] [CCH] [F0H] Alarm search( 告 警 搜 索 ) [ECH] 3 存 储 器 操 作 命 令 指 令 Write Scratchpad( 写 暂 存 存 储 器 ) Read Scratchpad( 读 暂 存 存 储 器 ) Copy Scratchpad( 复 制 暂 存 存 储 器 ) Convert Temperature( 温 度 变 换 ) Recall EPROM( 重 新 调 出 ) Read Power supply( 读 电 源 ) 代 码 [4EH] [BEH] [48H] [44H] [B8H] [B4H] 4 时 序 主 机 使 用 时 间 隙 (time slots) 来 读 写 DSl820 的 数 据 位 和 写 命 令 字 的 位 (1) 初 始 化 时 序 见 图 10 主 机 总 线 to 时 刻 发 送 一 复 位 脉 冲 ( 最 短 为 480us 的 低 电 平 信 号 ), 接 着 在 tl 时 刻 释 放 总 线 并 进 入 接 收 状 态,DSl820 在 检 测 到 总 线 的 上 升 沿 之 后, 等 待 15-60us, 接 着 DS1820 在 t2 时 刻 发 出 存 在 脉 冲 ( 低 电 平 持 续 us) 如 图 13 中 虚 线 所 示 图 13 初 始 化 时 序 第 16 页

17 以 下 子 程 序 在 MCS51 仿 真 机 上 通 过 其 晶 振 为 12M. 初 始 化 子 程 序 : RESET: PUSH B ; PUSH A MOV A,#4 ; CLR P1.0 ; MOV B,#250 ; DJNZ B,$ ; SETB Pl.0 ; MOV B,#6 ; CLR C ; 保 存 B 寄 存 器 保 存 A 寄 存 器 设 置 循 环 次 数 发 出 复 位 脉 冲 计 数 250 次 保 持 低 电 平 500us 释 放 总 线 设 置 时 间 常 数 清 存 在 信 号 标 志 WAITL: JB Pl.0,WH ; 若 总 线 释 放 跳 出 循 环 DJNZ B,WAITL ; DJNZ ACC,WAITL; 总 线 低 等 待 释 放 总 线 等 待 一 段 时 间 SJMP SHORT WH: MOV B,#111 WH1: ORL C,P1.0 DJNZ B,WH1 ; 存 在 时 间 等 待 SHORT: POP A POP B (2) 写 时 间 隙 当 主 机 总 线 to 时 刻 从 高 拉 至 低 电 平 时 就 产 生 写 时 间 隙 见 图 14 图 15 4, 从 to 时 刻 开 始 15us 之 内 应 将 所 需 写 的 位 送 到 总 线 上,DSl820 在 t0 后 15-60us 间 对 总 线 采 样 若 低 电 平 写 入 的 位 是 0, 见 图 14; 若 高 电 平 写 入 的 位 是 1, 见 图 15 连 续 写 2 位 间 的 间 隙 应 大 于 1us 图 14 写 0 时 序 图 15 写 1 时 序 第 17 页

18 写 位 子 程 序 ( 待 写 位 的 内 容 在 C 中 ) WRBIT: PUSH B ; MOV B,#28 ; CLR P1.0 ; 保 存 B 设 置 时 间 常 数 写 开 始 NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us N0P ;1us MOVPl.0,C ; C 内 容 到 总 线 WDLT: DJNZ B,WDLT; 等 待 56Us POP B SETB Pl.0 ; 释 放 总 线 RET ; 返 回 写 字 节 子 程 序 ( 待 写 内 容 在 A 中 ): WRBYTB: PUSH B : MOV B #8H ; WLOP: RRC A ; ACALL WRBIT ; 保 存 B 设 置 写 位 个 数 把 写 的 位 放 到 C 调 写 1 位 子 程 序 DJNZ B WLOP ; 8 位 全 写 完? POP B RET (3) 读 时 间 隙 见 图 16 主 机 总 线 to 时 刻 从 高 拉 至 低 电 平 时, 总 线 只 须 保 持 低 电 平 l7ts, 之 后 在 t1 时 刻 将 总 线 拉 高 产 生 读 时 间 隙 读 时 间 隙 在 t1 时 刻 后 t2 时 刻 前 有 效,tz 距 to 为 15 捍 s, 也 就 是 说,tz 时 刻 前 主 机 必 须 完 成 读 位, 并 在 to 后 的 60 尸 s 一 120 fzs 内 释 放 总 线 读 位 子 程 序 ( 读 得 的 位 到 C 中 ); 第 18 页

19 图 16 读 时 序 RDBIT: PUSH B ; PUSH A ; 保 存 B 保 存 A MOV B,#23 ; 设 置 时 间 常 数 CLR P1.0 ; 读 开 始 图 的 t0 NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us SETB Pl.0 ; MOV A,P1 ; MOV C,EOH ; 释 放 总 线 P1 口 读 到 A P1.0 内 容 C NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us NOP ;1us RDDLT: DJNZ B,RDDLT ; 等 待 46us SETB P1.0 POP A POP B RET 读 字 节 子 程 序 ( 读 到 内 容 放 到 A 中 ) RDBYTE: PUSH B ; RLOP MOV B,#8H ; 保 存 B 设 置 读 位 数 第 19 页

20 ACALL RDBIT ; RRC A ; 调 读 1 位 子 程 序 把 读 到 位 在 C 中 并 依 次 送 给 A DJNZ B,RLOP ; 8 位 读 完? POP B ; 恢 复 B RET 读 写 函 数 实 例 如 下 所 示 (C 语 言 ) // DELAY - with an MHz crystal // Calling the routine takes about 24μs, and then // each count takes another 16μs // void delay (int μs) { int s; for (s = 0; s < μs; s++); } void write_bit(char bitval) { DQ = 0; // pull DQ low to start timeslot if(bitval==1) DQ =1; // return DQ high if write 1 delay(5);// hold value for remainder of timeslot DQ = 1; }// Delay provides 16μs per loop, plus 24μs 延 时 实 例 unsigned char ow_reset(void) { unsigned char presence; DQ = 0; //pull DQ line low delay(29); // leave it low for 480μs DQ = 1; // allow line to return high delay(3); // wait for presence presence = DQ; // get presence signal delay(25); // wait for end of timeslot return(presence); //presence signal returned } // presence = 0, no part = 1 写 位 实 例 unsigned char read_byte(void) { unsigned char i; unsigned char value = 0; for (i = 0; i < 8; i++) { if(read_bit()) value = 0 x 01<<i; // reads byte in, one byte at a time and then // shifts it left delay(6); // wait for rest of timeslot } return(value); } 复 位 实 例 读 字 节 实 例 第 20 页

21 unsigned char read_bit(void) { unsigned char i; DQ = 0; // pull DQ low to start timeslot DQ = 1; // then return high for (i = 0; i < 3; i++); // delay 15μs from start of timeslot return(dq); // return value of DQ line } 读 位 实 例 void write_byte(char val) { unsigned char i; unsigned char temp; for (i = 0; i < 8; i++) // writes byte, one bit at a time { temp = val>>i; // shifts val right i spaces temp &= 0x01; // copy that bit to temp write_bit(temp); // write bit in temp into } delay(5) } 写 字 节 实 例 4.3 系 统 整 体 软 件 设 计 为 充 分 加 热 传 感 器 的 电 热 丝, 在 系 统 初 始 化 完 成 后, 首 先 启 动 DS18B20, 显 示 当 前 环 境 温 度 同 时 开 始 预 热, 时 间 大 约 30 s 30 s 计 时 到 后, 并 等 待 用 户 的 按 键 操 作, 若 未 检 测 到 任 何 按 键 按 下, 系 统 进 入 待 机 状 态 考 虑 到 手 持 设 备 节 能 的 要 求, 采 用 无 键 按 下 时 睡 眠 待 机 的 设 计, 睡 眠 过 程 中 关 闭 系 统 时 钟, 大 大 节 约 了 能 耗, 唤 醒 操 作 可 利 用 触 键 实 现 主 程 序 流 程 如 图 17 所 示 系 统 共 分 3 个 按 键 K1 K2 K3, 分 别 接 至 单 片 机 P2.0-P2.2 口, 初 始 化 时 将 P2.0-P2.2 置 1, 当 检 测 到 输 入 端 为 低 电 平 时 表 示 有 键 按 下, 通 过 软 件 5ms 延 时, 消 除 键 盘 抖 动 在 待 机 状 态 时 若 按 下 K1 键 提 示 被 测 者 吹 气, 若 检 测 过 程 中 需 要 取 消 测 试, 可 按 K2 键, 此 时 系 统 放 弃 测 试, 并 可 回 到 待 机 状 态 考 虑 到 环 境 湿 度 以 及 被 测 试 者 的 个 体 差 异 等 因 素, 有 时 需 要 修 改 浓 度 的 警 戒 值, 在 待 机 状 态 下, 按 下 K3, 数 码 管 上 将 显 示 当 前 设 置 值, 此 时 按 下 K1 K2 可 调 节 警 戒 值 每 按 一 次 K1 值 可 将 报 警 浓 度 上 调 0.02mg/L( 最 高 到 0.72mg/L), 按 下 K2 则 下 调 0.02mg/L( 最 低 到 0.04mg/L), 调 整 完 后 在 按 下 K3 值 可 保 存 新 的 警 戒 值 第 21 页

22 主 程 序 初 始 化 温 度 测 量 子 程 序 延 时 大 约 30s N 有 键 按 下? Y N N N K1? K2? K3? Y Y Y 调 用 酒 精 浓 度 子 程 序 禁 止 A/D 调 用 警 戒 值 设 置 子 程 序 数 码 管 显 示 图 19 主 程 序 流 程 图 结 论 本 文 设 计 了 基 于 单 片 机 的, 设 计 过 程 包 括 了 硬 件 电 路 设 计 和 软 件 程 序 的 编 写 两 部 分 硬 件 电 路 部 分 结 构 简 单 使 用 方 便 适 合 大 众 化 使 用 软 件 部 分 采 用 模 块 化 设 计 思 想, 各 个 子 程 序 的 功 能 相 对 独 立, 便 于 调 试 和 修 改 通 过 软 硬 件 联 合 调 试, 实 验 结 果 满 足 设 计 基 本 要 求, 达 到 设 计 目 标 仪 器 电 路 设 计 合 理, 体 积 小, 且 灵 敏 度 分 辨 率 和 抗 干 扰 能 力 适 用 于 驾 驶 员 自 测 是 否 饮 酒 过 量 的 测 量, 也 可 用 于 酒 精 浓 度 监 控 第 22 页

23 考 虑 到 技 术 先 进 性 和 人 性 化 设 计 的 需 要, 如 果 能 在 上 述 方 案 中 加 入 语 音 提 示 语 音 播 报 检 测 结 果 等 新 功 能, 将 是 非 常 有 益 的 从 技 术 的 角 度 看, 在 现 有 方 案 中 加 入 专 用 的 语 音 处 理 芯 片 ( 如 AC48105), 从 而 实 现 语 音 功 能, 并 不 是 非 常 复 杂, 但 是 这 样 会 使 原 有 的 系 统 结 构 上 变 得 不 够 精 简, 且 导 致 性 价 比 下 降 如 果 选 用 的 单 片 机 本 身 就 方 便 地 处 理 语 音 信 号, 那 么 实 现 语 音 功 能 就 将 变 得 相 对 简 单 总 体 上, 本 设 计 以 52 单 片 机 为 基 础, 采 用 廉 价 的 酒 精 传 感 器 采 集 信 号 ( 若 需 要 提 高 测 试 精 度, 可 选 用 燃 料 电 池 型 传 感 器 ), 实 现 了 一 种 新 型 的 酒 精 浓 度 检 测 器 设 计, 操 作 过 程 中 带 有 温 度 显 示 示, 测 试 结 果 可 通 过 数 码 管 显 示, 可 进 行 报 警, 还 可 根 据 实 际 情 况 对 测 试 警 戒 值 作 出 调 整, 体 现 出 一 定 的 人 性 化 智 能 化 特 点, 系 统 性 价 比 较 高, 具 有 一 定 的 实 用 价 值 和 推 广 价 值 DS18B20 单 总 线 温 度 传 感 器 硬 件 设 计 简 单 可 靠 温 度 采 集 系 统, 以 抗 干 扰 能 力 强 对 环 境 要 求 不 高, 以 低 廉 的 价 格 换 取 良 好 的 温 度 显 示 效 果, 实 现 起 来 简 单 而 且 可 靠 性 较 强 参 考 文 献 ( 小 3 号 黑 体, 居 中 ) [1] 岳 睿. 呼 气 式 酒 精 传 感 器 的 研 究 进 展 [J]. 化 学 传 感 器,2006(3):6-9 [2] 刘 丰 年. 气 体 传 感 器 测 试 系 统 [D]. 硕 士 学 位 论 文. 吉 林 : 哈 尔 滨 理 工 大 学, 2003 [3] 何 希 才. 传 感 器 技 术 与 应 用 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社,2005 [4] 纪 宗 南. 单 片 机 外 围 器 件 使 用 手 册 输 入 通 道 器 件 分 册 [M]. 北 京 ; 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社,2005 [5] 张 培 仁. MCS-51 单 片 机 原 理 与 应 用 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社,2003. [6] 王 幸 之.AT89 系 列 单 片 机 原 理 与 接 口 技 术 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社,2004 [7] 何 立 民. 单 片 机 高 级 教 程 应 用 与 设 计 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社, 2000 [8] 魏 英 智.DS18B20 在 温 度 控 制 中 的 应 用. 煤 矿 机 械 2005,(3):92 93 [9] 陶 冶, 袁 永 超, 罗 平. 基 于 DS18B20 的 单 片 机 温 度 测 量 系 统. 农 机 化 研 究.2007,5-2: 第 23 页

24 第 24 页

25 酒 后 驾 车 测 试 仪 的 设 计 摘 要 以 单 片 机 和 气 体 传 感 器 为 核 心, 设 计 了, 实 现 了 不 同 环 境 下 酒 精 浓 度 的 检 测 本 文 主 要 介 绍 了 整 体 结 构, 设 计 了 系 统 硬 件 电 路, 阐 述 了 各 模 块 功 能 并 着 重 研 究 了 气 体 传 感 器 的 选 择 关 键 词 : 单 片 机 ;A/D 转 换 ; 酒 精 传 感 器 Abstract An alcohol concentration detector is designed taken single chip computer and gas sensor as kernel. The alcohol concentration in different environment can be measured. In this paper, the whole construct of the alcohol concentration detector is introduced ; the system hardware circuit is designed ; the function of each model and how to select the gas sensor are discussed especially. Keywords : Single Chip Computer ; A/D Transformer ; Alcohol Sensor 第 25 页

26 目 录 摘 要...2 Abstract 引 言 课 题 的 背 景 和 意 义 本 论 文 主 要 工 作 总 体 设 计 方 案 整 体 结 构 设 计 硬 件 设 计 及 功 能 概 述 硬 件 电 路 设 计 各 功 能 模 块 的 设 计 总 结 与 展 望...10 参 考 文 献... 错 误! 未 定 义 书 签 0 第 26 页

27 1 引 言 1.1 课 题 的 背 景 和 意 义 近 年 来, 随 着 我 国 经 济 的 高 速 发 展, 人 民 的 生 活 水 平 迅 速 提 高, 越 来 越 多 的 人 有 了 自 己 的 私 家 车, 而 酒 后 驾 车 造 成 的 交 通 事 故 也 频 频 发 生 酒 后 驾 车 引 起 的 交 通 事 故 是 由 于 司 机 的 过 量 饮 酒 造 成 人 体 内 酒 精 浓 度 过 高, 麻 痹 神 经, 造 成 大 脑 反 应 迟 缓, 肢 体 不 受 控 制 等 症 状 少 量 饮 酒 并 不 会 有 上 述 症 状, 即 人 体 内 酒 精 浓 度 比 较 低 时, 而 人 体 内 酒 精 超 过 某 一 个 值 时 就 会 引 起 危 险 为 此, 需 要 设 计 一 智 能 仪 器 能 够 监 测 驾 驶 员 体 内 酒 精 含 量 目 前 全 世 界 绝 大 多 数 国 家 都 采 用 呼 气 酒 精 测 试 仪 对 驾 驶 人 员 进 行 现 场 检 测, 以 确 定 被 测 量 者 体 内 酒 精 含 量 的 多 少, 以 确 保 驾 驶 员 的 生 命 财 产 安 全 此 外, 空 气 酒 精 浓 度 监 测 仪 还 能 监 测 某 一 特 定 环 境 的 酒 精 浓 度 如 酒 精 生 产 车 间 可 避 免 发 生 起 火 爆 炸 及 工 业 场 地 酒 精 中 毒 等 恶 性 事 故, 确 保 环 境 安 全 1.2 本 论 文 主 要 工 作 本 课 题 研 究 的 是 一 种 以 气 敏 传 感 器 和 单 片 机 为 主, 监 测 空 气 酒 精 浓 度, 并 具 有 声 光 报 警 功 能 及 LCD 显 示 功 能 的 空 气 酒 精 浓 度 监 测 仪 其 可 监 测 出 空 气 环 境 中 酒 精 浓 度 值, 并 根 据 不 同 的 环 境 设 定 不 同 的 阈 值, 对 超 过 的 阈 值 进 行 声 光 报 警. 来 提 示 危 害 采 用 汇 编 语 言 来 实 现 其 软 件 功 能 该 仪 器 硬 件 电 路 设 计 简 单 软 件 功 能 完 善 灵 敏 度 高 工 作 性 能 好, 并 且 具 有 尺 寸 小 方 便 携 带 的 优 点 此 外, 低 功 耗 低 成 本 的 特 点 可 以 使 其 吸 引 更 多 的 市 场 目 光 2 总 体 设 计 方 案 2.1 整 体 结 构 设 计 第 27 页

28 (1) 数 据 采 集 系 统 以 单 片 机 为 控 制 核 心, 外 围 电 路 带 有 LCD 显 示 以 及 键 盘 响 应 电 路, 无 需 要 其 他 计 算 机, 用 户 就 可 以 与 之 进 行 交 互 工 作, 完 成 数 据 的 采 集 存 储 计 算 分 析 等 过 程 (2) 系 统 具 有 低 功 耗 小 型 化 高 性 价 比 等 特 点 (3) 从 便 携 式 的 角 度 出 发, 系 统 成 功 使 用 了 大 屏 幕 液 晶 显 示 器 以 及 小 键 盘 由 单 片 机 系 统 控 制 键 盘 和 LCD 显 示 来 实 现 人 机 交 互 操 作, 界 面 友 好 (4) 软 件 系 统 采 用 汇 编 语 言 编 写, 在 兼 顾 实 时 性 处 理 的 同 时 也 能 很 方 便 地 进 行 数 据 处 理 2.2 硬 件 设 计 及 功 能 概 述 本 文 设 计 的 主 要 是 以 酒 精 传 感 器 和 单 片 机 为 平 台 设 计 而 成 的, 其 硬 件 系 统 功 能 框 图 如 图 一 所 示 图 一 硬 件 系 统 功 能 框 图 主 要 是 用 来 检 测 酒 精 浓 度 的, 它 主 要 由 酒 精 传 感 器 模 数 转 换 器 单 片 机 LCD 显 示 键 盘 以 及 声 音 报 警 构 成 酒 精 传 感 器 将 检 测 到 的 酒 精 浓 度 转 化 为 电 信 号, 然 后 将 电 信 号 传 送 给 模 数 转 换 器, 经 过 模 数 转 换 器 转 换 后, 把 转 换 后 得 到 的 数 字 信 号 传 给 单 片 机, 单 片 机 对 所 输 入 的 数 字 信 号 进 行 分 析 处 理, 最 后 将 分 析 处 理 的 结 果 通 过 显 示 器 显 示 出 来 由 于 不 同 的 环 境 对 酒 精 浓 度 的 要 求 也 不 一 样, 所 以, 可 以 通 过 键 盘 来 设 定 不 同 环 境 中 酒 精 浓 度 的 不 同 阀 值 如 果 所 检 测 到 的 空 气 中 的 酒 精 浓 度 超 过 了 所 设 定 的 阀 第 28 页

29 值, 那 么 单 片 机 将 会 控 制 蜂 鸣 器 发 出 声 音 报 警, 用 来 提 示 危 害 2.3 硬 件 电 路 设 计 依 据 硬 件 系 统 功 能 框 图 设 计 出 系 统 硬 件 的 整 体 电 路 图 如 图 二 和 图 三 所 示 其 中 图 二 是 单 片 机 与 LCD 键 盘 以 及 声 音 报 警 电 路 的 电 路 连 接 图 图 二 单 片 机 与 LCD 键 盘 及 声 音 报 警 电 路 的 电 路 连 接 图 2.4 各 功 能 模 块 的 设 计 AT89S52 的 特 性 AT89S52 是 低 功 耗 高 性 能 采 用 CMOS 工 艺 的 8 位 单 片 机, 其 片 内 具 有 8KB 的 可 在 线 编 程 的 Flash 存 储 器 该 单 片 机 采 用 了 ATMEL 公 司 的 高 密 度 非 易 失 性 存 储 器 技 术, 与 工 业 标 准 型 80C51 单 片 机 的 指 令 系 统 和 引 脚 完 全 兼 容 ; 片 内 的 Flash 存 储 器 可 在 线 重 新 编 程, 或 者 使 用 通 用 的 非 易 失 性 存 储 器 编 程 ; 通 用 的 8 位 CPU 与 在 线 可 编 程 Flash 集 成 在 一 块 芯 片 上, 从 而 使 AT89S52 功 能 更 加 完 善, 应 用 更 加 灵 活 ; 具 有 较 高 的 性 能 价 格 比, 使 其 在 嵌 入 式 控 制 系 统 中 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 第 29 页

30 2.4.2 ADC 的 选 择 模 数 转 换 电 路 的 功 能 是 将 连 续 变 化 的 模 拟 量 转 换 为 离 散 的 数 字 量, 是 架 起 模 拟 系 统 跟 数 字 系 统 之 间 连 接 的 桥 梁 对 于 本 系 统 而 言, 就 是 用 于 快 速 高 精 度 地 对 输 入 的 酒 精 浓 度 信 号 进 行 采 样 编 码, 将 其 转 换 成 单 片 机 所 能 够 处 理 的 数 字 量 模 数 转 换 电 路 是 本 系 统 的 关 键 部 分, 其 性 能 的 好 坏 直 接 影 响 整 个 系 统 的 质 量 根 据 A/D 转 换 器 的 工 作 原 理 可 将 A/D 转 换 器 分 成 两 大 类 : 一 类 是 直 接 型 A/D 转 换 器 ; 另 一 类 是 间 接 型 A/D 转 换 器 在 直 接 型 A/D 转 换 器 中, 输 入 的 模 拟 电 压 被 直 接 转 换 成 数 字 代 码, 不 经 任 何 中 间 变 量 在 间 接 型 A/D 转 换 器 中, 首 先 把 输 入 的 模 拟 电 压 转 换 成 某 种 中 间 变 量 ( 时 间 频 率 脉 冲 宽 度 等 等 ), 然 后 再 把 这 个 中 间 变 量 转 换 为 数 字 代 码 输 出 气 体 传 感 器 的 选 择 气 体 传 感 器 是 气 体 检 测 系 统 的 核 心, 通 常 安 装 在 探 测 头 内 从 本 质 上 讲, 气 体 传 感 器 是 一 种 将 某 种 气 体 体 积 分 数 转 化 成 对 应 电 信 号 的 转 换 器 探 测 头 通 过 气 体 传 感 器 对 气 体 样 品 进 行 调 理, 通 常 包 括 滤 除 杂 质 和 干 扰 气 体 干 燥 或 制 冷 处 理 样 品 抽 吸, 甚 至 对 样 品 进 行 化 学 处 理, 以 便 化 学 传 感 器 进 行 更 快 速 地 测 量 在 选 择 传 感 器 的 时 候, 一 定 要 考 虑 到 稳 定 性 灵 敏 度 选 择 性 和 抗 腐 蚀 性, 本 系 统 选 择 MQ3 型 酒 精 传 感 器 MQ3 酒 精 传 感 器 是 气 敏 传 感 器, 其 具 有 很 高 的 灵 敏 度 良 好 的 选 择 性 长 期 的 使 用 寿 命 和 可 靠 的 稳 定 性 MQ 3 型 气 敏 传 感 器 由 微 型 Al 2 O 3 陶 瓷 管 和 SnO 2 敏 感 层 测 量 电 极 和 加 热 器 构 成 的 敏 感 元 件 固 定 在 塑 料 或 者 不 锈 钢 的 腔 体 内, 加 热 器 为 气 敏 元 件 的 工 作 提 供 了 必 要 的 工 作 条 件 传 感 器 的 标 准 回 路 有 两 部 分 组 成 : 其 一 为 加 热 回 路 ; 其 二 为 信 号 输 出 回 路, 它 可 以 准 确 反 映 传 感 器 表 面 电 阻 的 变 化 传 感 器 表 面 电 阻 RS 的 变 化, 是 通 过 与 其 串 联 的 负 载 电 阻 R L 上 的 有 效 电 压 信 号 V RL 出 面 获 得 的 二 者 之 间 的 关 系 表 述 为 :RS/R L =(V C -V RL )/V RL, 其 中 V C 为 回 路 电 压,10V 负 载 电 阻 R L 可 调 为 0.5~200K, 加 热 电 压 Uh 为 5V 上 述 这 些 参 数 使 得 传 感 器 输 出 电 压 为 0~5V MQ3 型 气 敏 传 感 器 的 结 构 和 外 形 如 图 三 所 示, 标 准 回 路 如 图 四 所 示, 传 感 器 阻 值 变 化 率 与 酒 精 浓 度 外 界 温 度 的 关 系 如 图 五 所 示 为 了 使 测 量 的 精 度 达 到 最 高, 误 差 最 小, 需 要 找 到 合 适 的 温 度, 一 般 在 测 量 前 需 要 将 传 感 器 预 热 5 分 钟 第 30 页

31 图 三 MQ3 的 结 构 和 外 形 图 四 MQ3 标 准 回 路 第 31 页

32 图 五 传 感 器 阻 值 变 化 率 与 酒 精 浓 度 外 界 温 度 之 间 的 关 系 为 了 更 好 地 使 用 酒 精 传 感 器 MQ3, 现 将 MQ3 的 标 准 工 作 条 件 和 环 境 条 件 进 行 介 绍, 如 表 一 和 表 二 所 示 表 一 标 准 工 作 条 件 表 二 酒 精 传 感 器 MQ3 的 环 境 条 件 第 32 页

33 3 总 结 与 展 望 本 文 设 计 了 基 于 单 片 机 的, 设 计 过 程 包 括 了 硬 件 电 路 设 计 和 软 件 程 序 的 编 写 两 部 分 硬 件 电 路 部 分 结 构 简 单 使 用 方 便 适 合 大 众 化 使 用 软 件 部 分 采 用 模 块 化 设 计 思 想, 各 个 子 程 序 的 功 能 相 对 独 立, 便 于 调 试 和 修 改 通 过 软 硬 件 联 合 调 试, 实 验 结 果 满 足 设 计 基 本 要 求, 达 到 设 计 指 标 应 用 单 片 机 编 写 不 同 的 程 序 嵌 入 各 种 仪 器 中 便 形 成 不 同 功 能 的 智 能 仪 器 作 为 广 泛 应 用 于 工 程 中 的 智 能 仪 器 将 有 更 大 的 运 用 空 间 空 气 酒 精 浓 度 监 测 仪 将 越 来 越 深 入 的 运 用 到 普 通 人 民 的 生 活 中 参 考 文 献 [1] 王 幸 之.AT89 系 列 单 片 机 原 理 与 接 口 技 术 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社,2004. [2] 郑 学 坚, 周 斌. 微 型 计 算 机 原 理 及 应 用 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社,2006. [3] 纪 宗 南. 单 片 机 外 围 器 件 使 用 手 册 输 入 通 道 器 件 分 册 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社,2005. [4] 郑 义, 陈 俊. 用 AT89C52 和 TLC1543 实 现 数 据 采 集 系 统 [J]. 电 子 世 界,2004, (12): [5] 卢 丽 君. 基 于 TLC1543 的 单 片 机 多 路 采 样 监 测 系 统 的 设 计 [J]. 仪 器 仪 表 与 分 析 监 测,2007,(04):5-7. [6] 何 希 才. 传 感 器 技 术 与 应 用 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社,2005. 第 33 页