智能酒精浓度测试仪的电路设计

智能酒精浓度测试仪的电路设计

【摘要】本设计是以单片机技术为基础，可以对呼吸气体中的酒精浓度进行实时采集、显示和报警，是用酒精浓度传感器对呼吸气体进行感应，采集到的微弱信号经过放大以后，再经过模数转换模块，转换成数字信号以后再由单片机进行分析和计算处理，最后将测量的浓度数据显示在LED数码管上，当超过设定的浓度值时，进行报警。

【关键词】单片机;酒精浓度;模数转换

1.设计任务

设计并制作一个酒精浓度测试仪，技术指标如下：

该系统能够正确地显示呼吸气体的酒精浓度。要求测量误差在10%以内，能够清晰稳定的显示测量结果。当测试的酒精浓度超出限定范围时具有报警功能。

2.设计思路

本文以AT89S51单片机为核心，设计了用于测量酒精浓度的探测仪，主要研究工作包括以下3个方面。

硬件电路方面，对气体传感器MQ-3按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定MQ-3所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计;采样到的模拟电压电信号通过A/D转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理;发光二极管报警显示和8段共阴数码管浓度值显示。

软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。

图1 系统框图

为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。

3.系统框图

系统主要有单片机控制模块、酒精浓度采集模块、AD转换模块和显示模块

组成，模块框图如图1所示。

4.各模块电路原理图

4.1 电源模块电路

电源部分首先由变压器T1将220V50Hz的交流市电变压为5V等频率的交流电压。再经过整流器整流后变为脉动的直流电压。再经过C1、C2的滤波后变为较平滑的直流电压（如果想要得到更平滑的直流电压就应增大C1的电容值），再经过7805稳压后变为标准的+5V电压。至于电容C3、C4也是滤波电容。LED1为电源指示灯。

图2 电源模块电路图

图3 单片机控制模块电路图

4.2 单片机控制模块

图3为AT89S51单片机的最小系统电路。其中IP1为ISP下载口，插上下载线接到计算机上可以在线调试程序。P0口在作IO口使用时需接上10K的上拉电阻。S0为复位按键。

4.3 信号采集处理模块

采集到的酒精浓度信号是一个模拟信号，需要经过以ADC0804为核心的模数转换电路将其转换成数字信号以后才能传给单片机进行处理和显示。

图4 信号采集模块电路图

4.4 显示模块

显示电路是用4位数码管显示的，可以看到显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245驱动，位码用PNP三极管Q1、Q2、Q3、Q4驱动。

5.酒精浓度测试仪测量数据记录

被测酒精浓度

单位：mL/mL 0.012 0.014 0.026 0.170 0.190

测量数据

单位：mL/mL 012 015 024 157 168

测量用的酒精溶液是用无水乙醇和纯净水按体积比来配制的，单位mL/mL 表示的是1mL酒精溶液中含酒精的体积。

从测量数据上来看，测量的最大误差为8.3%，在被测浓度大时，还存在一些误差，需要进一步改进设计，扩大测量范围，并提高测量精度。对于检测浓度低的酒精误差比检测浓度高的酒精误差小，这也是设计的该酒精浓度探测仪适合与检测酒后驾车的原因，因为人在饮酒后，从呼吸道呼出的酒精气体浓度一般都不是很高。因此，经过适当的改进，可以用于检测酒后驾车。

参考文献

[1]彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学大学出版社，2003.

[2]高伟.51单片机原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2008.