基于51单片机的酒精浓度检测仪的设计
基于51单片机的酒精浓度检测仪的设计[20200128193818]
摘要
本课题设计的是一款酒精浓度检测仪。产品的主要功能是测量被测空气中酒精浓度的高低，将测出的数据有设定阀值进行比较，看是否需要报警。该电路主要由A/D转换模块，单片机控制模块，安全报警模块，按键控制模块和显示模块组成。A/D转换模块用于快速、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。然后再通过对51单片机进行软件编程，使单片机按规定的时序采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量的酒精浓度，然后进行分析是否安全报警。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:浓度监测A/D转换安全报警。
引言 - 1 -
一 、总体设计 - 2 -
二、硬件设计 - 2 -
（一） 单片机简介 - 2 -
（二） 单片机最小系统的实现 - 3 -
（三） 酒精浓度采集电路 - 4 -
1、气敏传感器 - 4 -
2、模数转换的选择 - 4 -
3、酒精浓度采集电路 - 5 -
（四） 按键电路 - 6 -
（五） 数码管显示 - 7 -
1、LED介绍 - 7 -
2、数码管显示电路 - 7 -
（六） 报警电路 - 8 -
三 、软件设计 - 9 -
（一）主程序 - 9 -
（二）数码管显示模块 - 10 -
（三）报警模块 - 11 -
四、功能仿真 - 12 -
（一）Proteus简介 - 12 -
（二）设计仿真 - 12 -
结束语 - 14 -
致 谢 - 15 -
参考文献 - 16 -
附录一 设计完整电路图 - 17 -
附录二 PCB - 18 -
附录三 程序 - 19 -
引言
近年来，随着我国经济水平的飞速发展，我国越来越多的人有了自己的私家车，当然，随着私家车数量的增加，酒后驾车造成的交通事故也随之频繁发生。为此，我们需要设计一款智能仪器能够随时检测驾驶员体内酒精含量。本课程设计研究的是一种以气敏传感器和单片机A/D转换器为主，检测驾驶员呼出气体的酒精浓度，并具有报警功能的空气酒精浓度检测仪。该产品可检测出空气环境中酒精浓度值，对超过的浓度范围进行报警来提示危害。此设计对于控制我国交通事故的发生频率具有一定程度上的意义。
本课题主要分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用气敏传感器测量空气中酒精浓度，并将检测到的酒精浓度转换为电信号，经A/D转换器转换成数字信号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，得出酒精浓度，通过数码管显示出来，然后与设定值进行比较，判断是否进行超值报警。程序采用模块化设计的思想，各个子程序的功能相对独立，这样便于调试和修改。硬件电路大体分为单片机最小系统电路、A/D转换电路、报警电路、显示电路和按键电路 ，整体电路中各项部
分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。
一 、总体设计
本题的总体设计思想是基于AT89C51单片机用MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-3气体传感器和负载电压得到分压电信号。信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用蜂鸣器进行实现。根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图1所示。
图1 系统总体框图
二、硬件设计
（一）单片机简介
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理CPU，随机存储器RAM，制度存储气ROM，多种I/O口和中断系统，定时器、计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本课题选用的单片机芯片的AT89C51，芯片引脚如图2所示。
图2 AT89C51引脚图
（二）单片机最小系统的实现
单片机最小系统连线如图3所示，单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平，所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。单片机的时钟电路有一个晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由10UF的电解电容和10K的电阻及按键组成，这里我们选用10UF的电容和10K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。
图3 单片机最小系统连线图
（三）酒精浓度采集电路
1、气敏传感器
气敏传感器是一种检测指定气体的传感器。外形如图4所示，管脚如图5所示。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、氟利昂的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等。
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。
图4 MQ-3外形图
图5 MQ-3管脚图
气敏传感器的工作原理是声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。
2、模数转换的选择
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。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。引脚图如图6所示。
图6 ADC0809芯片引脚
3、酒精浓度采集电路
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。
在本电路中，MQ-3连接图如7所示。1引脚接高电平，4引脚接低电平，2引脚接ADC0809芯片的IN-0引脚，作为信号输入端口。
图7 MQ-3连接电路
（四）按键电路
本设计采用的是非编码键盘，并利用扫描法处理按键。按键电路的主要作用就是为系统输入所设定的阀值，当所测值高于阀值时，进入下一段程序进行处理。电路图如图8所示。
摘要
本课题设计的是一款酒精浓度检测仪。产品的主要功能是测量被测空气中酒精浓度的高低，将测出的数据有设定阀值进行比较，看是否需要报警。该电路主要由A/D转换模块，单片机控制模块，安全报警模块，按键控制模块和显示模块组成。A/D转换模块用于快速、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。然后再通过对51单片机进行软件编程，使单片机按规定的时序采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测量的酒精浓度，然后进行分析是否安全报警。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:浓度监测A/D转换安全报警。
引言 - 1 -
一 、总体设计 - 2 -
二、硬件设计 - 2 -
（一） 单片机简介 - 2 -
（二） 单片机最小系统的实现 - 3 -
（三） 酒精浓度采集电路 - 4 -
1、气敏传感器 - 4 -
2、模数转换的选择 - 4 -
3、酒精浓度采集电路 - 5 -
（四） 按键电路 - 6 -
（五） 数码管显示 - 7 -
1、LED介绍 - 7 -
2、数码管显示电路 - 7 -
（六） 报警电路 - 8 -
三 、软件设计 - 9 -
（一）主程序 - 9 -
（二）数码管显示模块 - 10 -
（三）报警模块 - 11 -
四、功能仿真 - 12 -
（一）Proteus简介 - 12 -
（二）设计仿真 - 12 -
结束语 - 14 -
致 谢 - 15 -
参考文献 - 16 -
附录一 设计完整电路图 - 17 -
附录二 PCB - 18 -
附录三 程序 - 19 -
引言
近年来，随着我国经济水平的飞速发展，我国越来越多的人有了自己的私家车，当然，随着私家车数量的增加，酒后驾车造成的交通事故也随之频繁发生。为此，我们需要设计一款智能仪器能够随时检测驾驶员体内酒精含量。本课程设计研究的是一种以气敏传感器和单片机A/D转换器为主，检测驾驶员呼出气体的酒精浓度，并具有报警功能的空气酒精浓度检测仪。该产品可检测出空气环境中酒精浓度值，对超过的浓度范围进行报警来提示危害。此设计对于控制我国交通事故的发生频率具有一定程度上的意义。
本课题主要分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用气敏传感器测量空气中酒精浓度，并将检测到的酒精浓度转换为电信号，经A/D转换器转换成数字信号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，得出酒精浓度，通过数码管显示出来，然后与设定值进行比较，判断是否进行超值报警。程序采用模块化设计的思想，各个子程序的功能相对独立，这样便于调试和修改。硬件电路大体分为单片机最小系统电路、A/D转换电路、报警电路、显示电路和按键电路 ，整体电路中各项部
分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍。
一 、总体设计
本题的总体设计思想是基于AT89C51单片机用MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-3气体传感器和负载电压得到分压电信号。信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用蜂鸣器进行实现。根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图1所示。
图1 系统总体框图
二、硬件设计
（一）单片机简介
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理CPU，随机存储器RAM，制度存储气ROM，多种I/O口和中断系统，定时器、计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本课题选用的单片机芯片的AT89C51，芯片引脚如图2所示。
图2 AT89C51引脚图
（二）单片机最小系统的实现
单片机最小系统连线如图3所示，单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平，所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。单片机的时钟电路有一个晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由10UF的电解电容和10K的电阻及按键组成，这里我们选用10UF的电容和10K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。
图3 单片机最小系统连线图
（三）酒精浓度采集电路
1、气敏传感器
气敏传感器是一种检测指定气体的传感器。外形如图4所示，管脚如图5所示。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、氟利昂的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等。
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。
图4 MQ-3外形图
图5 MQ-3管脚图
气敏传感器的工作原理是声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。
2、模数转换的选择
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。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。引脚图如图6所示。
图6 ADC0809芯片引脚
3、酒精浓度采集电路
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。
在本电路中，MQ-3连接图如7所示。1引脚接高电平，4引脚接低电平，2引脚接ADC0809芯片的IN-0引脚，作为信号输入端口。
图7 MQ-3连接电路
（四）按键电路
本设计采用的是非编码键盘，并利用扫描法处理按键。按键电路的主要作用就是为系统输入所设定的阀值，当所测值高于阀值时，进入下一段程序进行处理。电路图如图8所示。
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