酒精测试系统设计
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菏泽学院
HezeUniversity
本科生毕业设计（论文）
题 目
基于单片机的酒精测试系统的设计
姓 名
学号
Байду номын сангаас系 别
专 业
指导教师
职称
年月日
菏泽学院教务处制
基于单片机的酒精测试系统的设计
摘要：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。此酒精测试系统是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有报警功能的空气酒精浓度监系统。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值，对超过一定值进行声光报警来提示危害。此外，此酒精测试系统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。
Abstract：Now the most countries in the world use the alcohol tester to test that how much alcohol the candidate take in to make sure the drivers' security and their property safety. This alcohol test system is based on alcohol sensor and Single-chip microcomputer to monitor the alcohol concentration in the air and have the alarm function. It can test the alcohol concentration in the air and set different values according to the different environment.In addition,this system can also test the alcohol concentration of the special environment to avoid the malignant accidents such as fireexplosion and industrial site alcohol poisoning to make sure the environment safety.
2硬件介绍
2.1总体电路设计
图2-1系统功能框图
硬件设计时，考虑酒精浓度是由传感把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值并且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0804采集数据送入单片机进行处理。酒精浓度监测仪的硬件电路设计主要包括：传
感器测量电路、89C51单片机系统、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路。
图2-2-3复位电路
51复位就是在满足51最小系统其他工作条件下，让RST管脚保持高电平（通常0.7Vcc以上电压）维持至少两个机器时钟，以引导单片机复位，之后RST管脚恢复为低电平。
2.3传感器电路设计
由于本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图2-3-1传感器的温湿度特性
图2-3-2灵敏度特性曲线
图2-3-3结构与外形以及标准回路
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值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。二者之间的关系表述为：RS／RL=(VC-VRL)／VRL，其中VC为回路电压为10V。负载电阻RL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型气敏传感器的灵敏度特性、传感器的温湿度特性以及结构和外形、标准回路如下图所示。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，一般在测量前需将传感器预热5分钟。
Keywords:Single-chip microcomputerAlcohol sensor A/D conversionDigitalpipe display
1序言
随着经济高速发展，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繁发生。为此，需要设计酒精测试系统能够检测驾驶员体内酒精含量。本论文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的空气酒精浓度测试系统。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并可根据不同的环境设定不同的值，对超过的情况进行声光报警来提示危害。
关键词：单片机 酒精传感器 A/D转换 数码管显示
The DesignofAlcohol Tester System
Student majoring inScience and Technology ofElectronicInformationBai Yunfu
Tutor Zhao Guanghui
本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用MQ3气敏传感器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号经A/D转换后传给单片机系统，由单片机及其外围电路进行信号的处理，显示浓度值以及报警。软件部分用C语言进行编程，程序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。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、信号采集电路、A/D转换电路、LED显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍，程序的设计使用C语言编程。
9. PIN10 (D GND)︰数字电压的接地端。
10. PIN11 ~ PIN18 (DB7 ~ DB0)︰转换后之数字数据输出端。
11. PIN20 (Vcc)︰驱动电压输入端。
图2-4-1AD0804 基本电路
ADC0804采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的功能来决定所选的通道。0809完成一次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。
图2-4-2AD工作时序图
图2-4-3AD0804原理图
2.5 LED显示电路设计
89C51的P0端口作为LED数码管显示控制。采用段选和位选来控制数码管。LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
2.2.2时钟电路
图2-2-2晶振电路
该电路有一个12mhz的晶振和两个30pf的电容组成，该时钟电路为单片机工作提供时钟。51单片机的时钟不仅可以由内部时钟提供也可以由外部时钟提供。当外接晶振的两个引脚分别接XTAL1和XTAL2。51单片机的工作频率为外接时钟电路的的十二分之一。
2.2.3 复位电路
图2-3-4酒精传感器模块电路图
2.4 A/D转换电路设计
在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）。
的讯号频率范围为100 kHz 至800 kHz。而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。若在CLK R 及CLK IN 加上电阻及电容，则可产生ADC 工作所需的时序。
5. PIN5 ( INTR )：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕时INTR 会
3. PIN3 (WR )：启动转换的控制讯号。当CS 、WR 皆为低位准(low) 时ADC0804 做清除的动作，系统重置。当WR 由0→1且CS ＝0 时，ADC0804
会开始转换信号，此时INTR 设定为高位准(high)。
4. PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元
A/D转换器大致分有三类：一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近式A/D转换器，精度价格适中；三是并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。该设计中选用的是ADC0804属第二类，是8位A/D转换器。
ADC0804规格如下：
(1) 高阻抗状态输出
(2) 分辨率：8 位(0~255)
2.2单片机最小系统
图2-2单片机最小系统
2.2.1单片机的选择
图2-2-1AT89C52
选择AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。
6. PIN6、PIN7 (VIN(+)、VIN(-))：差动模拟讯号的输入端。输入电压VIN＝VIN(+)
－VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地。
7. PIN8 (A GND):模拟电压的接地端。
8. PIN9 (VREF∕2)︰模拟参考电压输入端。VREF 为模拟输入电压VIN 的上限值。若PIN9空接，则VIN 的上限值即为VCC。
1. PIN1 (CS )：Chip Select，与RD、WR 接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准(low) 时会active。
2. PIN2 ( RD )：Read。当CS 、RD 皆为低位准(low) 时，ADC0804 会将转换后的数字讯号经由DB7 ~ DB0 输出至其它处理单元。
AT89C52采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
(3) 存取时间：135 ms
(4) 转换时间：100 ms
(5) 总误差：-1~+1LSB
(6) 工作温度：ADC0804C为0度~70度；ADC0804L为-40 度~85 度
(7) 模拟输入电压范围：0V~5V
(8) 参考电压：2.5V
(9) 工作电压：5V
(10) 输出为三态结构
主要接脚如下：
HezeUniversity
本科生毕业设计（论文）
题 目
基于单片机的酒精测试系统的设计
姓 名
学号
Байду номын сангаас系 别
专 业
指导教师
职称
年月日
菏泽学院教务处制
基于单片机的酒精测试系统的设计
摘要：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。此酒精测试系统是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有报警功能的空气酒精浓度监系统。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值，对超过一定值进行声光报警来提示危害。此外，此酒精测试系统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。
Abstract：Now the most countries in the world use the alcohol tester to test that how much alcohol the candidate take in to make sure the drivers' security and their property safety. This alcohol test system is based on alcohol sensor and Single-chip microcomputer to monitor the alcohol concentration in the air and have the alarm function. It can test the alcohol concentration in the air and set different values according to the different environment.In addition,this system can also test the alcohol concentration of the special environment to avoid the malignant accidents such as fireexplosion and industrial site alcohol poisoning to make sure the environment safety.
2硬件介绍
2.1总体电路设计
图2-1系统功能框图
硬件设计时，考虑酒精浓度是由传感把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值并且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0804采集数据送入单片机进行处理。酒精浓度监测仪的硬件电路设计主要包括：传
感器测量电路、89C51单片机系统、A/D转换电路、声光报警电路、LED显示电路。
图2-2-3复位电路
51复位就是在满足51最小系统其他工作条件下，让RST管脚保持高电平（通常0.7Vcc以上电压）维持至少两个机器时钟，以引导单片机复位，之后RST管脚恢复为低电平。
2.3传感器电路设计
由于本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
图2-3-1传感器的温湿度特性
图2-3-2灵敏度特性曲线
图2-3-3结构与外形以及标准回路
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值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。二者之间的关系表述为：RS／RL=(VC-VRL)／VRL，其中VC为回路电压为10V。负载电阻RL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型气敏传感器的灵敏度特性、传感器的温湿度特性以及结构和外形、标准回路如下图所示。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，一般在测量前需将传感器预热5分钟。
Keywords:Single-chip microcomputerAlcohol sensor A/D conversionDigitalpipe display
1序言
随着经济高速发展，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繁发生。为此，需要设计酒精测试系统能够检测驾驶员体内酒精含量。本论文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的空气酒精浓度测试系统。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并可根据不同的环境设定不同的值，对超过的情况进行声光报警来提示危害。
关键词：单片机 酒精传感器 A/D转换 数码管显示
The DesignofAlcohol Tester System
Student majoring inScience and Technology ofElectronicInformationBai Yunfu
Tutor Zhao Guanghui
本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用MQ3气敏传感器测量空气中酒精浓度，并转换为电压信号经A/D转换后传给单片机系统，由单片机及其外围电路进行信号的处理，显示浓度值以及报警。软件部分用C语言进行编程，程序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。而硬件电路又大体可分为单片机小系统电路、信号采集电路、A/D转换电路、LED显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍，程序的设计使用C语言编程。
9. PIN10 (D GND)︰数字电压的接地端。
10. PIN11 ~ PIN18 (DB7 ~ DB0)︰转换后之数字数据输出端。
11. PIN20 (Vcc)︰驱动电压输入端。
图2-4-1AD0804 基本电路
ADC0804采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的功能来决定所选的通道。0809完成一次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。
图2-4-2AD工作时序图
图2-4-3AD0804原理图
2.5 LED显示电路设计
89C51的P0端口作为LED数码管显示控制。采用段选和位选来控制数码管。LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。这样一来，就没有必要每一位数码管配一个锁存器，从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。
2.2.2时钟电路
图2-2-2晶振电路
该电路有一个12mhz的晶振和两个30pf的电容组成，该时钟电路为单片机工作提供时钟。51单片机的时钟不仅可以由内部时钟提供也可以由外部时钟提供。当外接晶振的两个引脚分别接XTAL1和XTAL2。51单片机的工作频率为外接时钟电路的的十二分之一。
2.2.3 复位电路
图2-3-4酒精传感器模块电路图
2.4 A/D转换电路设计
在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）。
的讯号频率范围为100 kHz 至800 kHz。而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。若在CLK R 及CLK IN 加上电阻及电容，则可产生ADC 工作所需的时序。
5. PIN5 ( INTR )：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕时INTR 会
3. PIN3 (WR )：启动转换的控制讯号。当CS 、WR 皆为低位准(low) 时ADC0804 做清除的动作，系统重置。当WR 由0→1且CS ＝0 时，ADC0804
会开始转换信号，此时INTR 设定为高位准(high)。
4. PIN4、PIN19 (CLK IN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元
A/D转换器大致分有三类：一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近式A/D转换器，精度价格适中；三是并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。该设计中选用的是ADC0804属第二类，是8位A/D转换器。
ADC0804规格如下：
(1) 高阻抗状态输出
(2) 分辨率：8 位(0~255)
2.2单片机最小系统
图2-2单片机最小系统
2.2.1单片机的选择
图2-2-1AT89C52
选择AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。
6. PIN6、PIN7 (VIN(+)、VIN(-))：差动模拟讯号的输入端。输入电压VIN＝VIN(+)
－VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地。
7. PIN8 (A GND):模拟电压的接地端。
8. PIN9 (VREF∕2)︰模拟参考电压输入端。VREF 为模拟输入电压VIN 的上限值。若PIN9空接，则VIN 的上限值即为VCC。
1. PIN1 (CS )：Chip Select，与RD、WR 接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准(low) 时会active。
2. PIN2 ( RD )：Read。当CS 、RD 皆为低位准(low) 时，ADC0804 会将转换后的数字讯号经由DB7 ~ DB0 输出至其它处理单元。
AT89C52采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
(3) 存取时间：135 ms
(4) 转换时间：100 ms
(5) 总误差：-1~+1LSB
(6) 工作温度：ADC0804C为0度~70度；ADC0804L为-40 度~85 度
(7) 模拟输入电压范围：0V~5V
(8) 参考电压：2.5V
(9) 工作电压：5V
(10) 输出为三态结构
主要接脚如下：