工程测试技术实例：酒精检测装置——实施方案设计

工程测试技术实例：酒精检测装置——方案设计

1 气体传感器的选择

1.1 MQ-3基本介绍

一个新型的气体检测系统应该包括：

（1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。

（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。

（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。

（4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。

本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。如图 3-1所示：

图 3-1

特点:检测范围为10ppm～2000ppm

灵敏度高，输出信号为伏特级；

响应速度快，小于10秒；

功耗≤0.75W，

尺寸：D17*H10

连续工作使用寿命大于三年，可靠性好。可根据用户要求调整外型参数提供应用设计服务。

MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的N型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。

MQ-3的灵敏度特性曲线如图3-2所示：

灵敏度特性曲线

图3-2

1.2 MQ-3的检测

图3-3

如图3-3所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻>20M欧。S接通，则f，f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至1M欧以下，然后又逐渐上升至20M欧以

上后并保持着。此时如果将内盛酒精棉花的小瓶瓶口靠近传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于20M欧降至1M欧以下。移开小瓶过15-40s后，A，B之间电阻恢复至大于20M欧。这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。

1.2 编程语言的选择

对于8051单片机，现有四种语言支持，即汇编、PL／M、C和BASIC。

（1）BASIC通常附在PC机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义后可在程序中做变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行完才能出来。BASIC由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时转换成机器代码，需要花费许多时间，不能做到实时性。BASIC为简化使用变量，所有变量都用浮点值。2＋2这样简单的运算完全是浮点算术操作，因而程序复杂且执行时间长。即使是编译BASIC，也不能解决此浮点运算问题。8052单片机片内固化有解释BASIC语言，BASIC适用于要求编程简单而对编程效率或运行速度要求不高的场合。

（2）PL／M是lntel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很像PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键字去定义结构。PL／M编译器像好的汇编器一样可产生紧凑代码。PL／M总的来说是高级汇编语言，可详细控制着代码生成。但对8051系列，PL／M不支持复杂的算术运算、浮点变量，也无丰富的库函数支持。学习PL／M无异于学习一种新语言。

（3）C是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生紧凑代码。C结构是以括号{ }而不是字和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：

＊对单片机指令系统不要求了解，仅要求对8051的存贮器结构有初步了解；

＊寄存器分配、不同存贮器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；

＊程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化；

＊具有将可变的选择与特殊操作组合在一起能力，改善了程序的可读性；

＊关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用；

＊编程及程序高度调试时间显著缩短，从而提高效率；

＊提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；

＊已编好程序可容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。

C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不作修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。

（4）8051汇编语言非常像其它汇编语言，指令系统比第一代微处理器要强一些。8051的不同存贮器区域使得其复杂一些。尽管懂汇编语言不是你的目的，但看懂一些可帮助你了解影响任何语言效率的8051特殊限定。例如，懂得汇编语言指令就可使用在片RAM做变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。最好的单片机编程者应是由汇编转用C而不是原来用过标准C语言的人。

从实用性和语言的熟悉程度考虑，选用汇编语言编制主要程序，用C语言辅助设计。

1.3 开发工具

1.3.1 单片机选择

单片机是把CPU、内存及I／O压缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件便可以构成一套简易的控制系统。如此一来可以降低硬件成本，由于单片机芯片设计及制造技术的限制，在面积有限的芯片上无法设计出太大的内存空间，因此单片机上ROM及RAM的容量都比较小，不过却也加入了位输入输出控制，计时计数器及外部中断的控制功能，有些单片机还有串行传输的接口，甚至还提供有A／D (模拟至数字转换)及D／A(数字至模拟转换)的接口，真可谓麻雀虽小五脏俱全。

8051单片机是INTEL公司在8048的基础上，对其功能加以改进所开发出来的8位单片机，表 3-1是8048与8051硬件功能的比较表。

从表中可以看出8051在功能上比8048强很多，程序代码(存于外部ROM中)的设计空间如同传统8位的单片机，像Z80、6502CPU等，寻址至64K字节的范围，更甚者，其随机存储器(存于外部RAM中)可额外再寻址64K字节，这是8051特别优异的一点，加上I／O控制端口、中断功能、定时器及串行接口，使得在一块8051芯片上外加少许外接元件便可组成一个完整的单片机控制系统。

表 1-1列出了8051系列的成员：其中8751H有可擦除可编程只读存储器