【正文】 The characteristics of the thesis are to determine the standard. The solutions and verification methods are proposed about the flow of air samples, the sample stability and water vapor. The conversion between voltage and concentration in different range is treated as linear relationship. The design of sensor can detect different the alcohol gas with different concentration. It plays an important role to solve the drunkdriving accidents and alcohol testing for special occasions after improvement.Key Words: Gas sensor, A/D conversion, Singlechip Microputer1 緒論 設(shè)計背景 我國傳感器市場的增長率超過15%，2003年銷售額為186億元人民幣，2006年銷售額為283億元人民幣，預(yù)計2007年為325億元人民幣，2008年為374億元人民幣。我國傳感器4大類中，%。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段，新型傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它將不僅促進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點[1]。 由于氣體與人類的日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺少的手段，氣體傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。氣體傳感器是把氣體中的特定成分檢測出來，并轉(zhuǎn)化為電信號的一類器件，用來對有害氣體，易燃易爆氣體等進(jìn)行安全檢測和報警，對生產(chǎn)生活中需要了解的氣體進(jìn)行檢測，分析，研究等。近年來，我國氣敏傳感器產(chǎn)業(yè)有了較快的發(fā)展，但與國外相比，從技術(shù)水平，產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等領(lǐng)域均存在著不小的差距。目前，氣敏傳感器領(lǐng)域還存在一些問題。一是元件的穩(wěn)定性差。由于元件電阻和靈敏度隨時間而不斷變化，漂移大給檢測結(jié)果的可靠性帶來不穩(wěn)定的因素。二是選擇性差。由于在檢測氣體時，往往還存在著其它的干擾氣體(如煙酒等)，使氣敏元件發(fā)生交叉響應(yīng)，產(chǎn)生誤報。三是催化劑中毒。摻有催化劑的氣敏元件接觸某些氣體后，活性組分被毒化，將會改變元件的選擇性，降低其敏感度和穩(wěn)定性，另外催化劑本身也存在著不穩(wěn)定性問題。靈敏度問題。四是SnO2元件有時由于靈敏度過大導(dǎo)致誤報，但是在檢測某些低濃度氣體時靈敏度卻難以達(dá)到要求[2]。 氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結(jié)構(gòu)及制作工藝密切相關(guān)。用金屬氧化敏感材料制作的半導(dǎo)體式氣敏元件具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體小質(zhì)輕，堅固耐用等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，目前仍以SnO2材料為主[3]。SnO2是一種廣普型的氣敏材料，圍繞SnO2為基體材料的氣敏材料的制備及其氣敏元件制備的研究課題十分活躍。純SnO2的氣敏特性不甚好，尤其是它的熱穩(wěn)定性不高。為改善其氣敏特性，常在SnO2基體中摻入貴金屬或其他金屬氧化物。盡管SnO2基傳感材料具有許多優(yōu)點，作為材料也存在一定缺點。通過控制氣敏材料微粒大小，顆粒納米化，摻雜其它添加劑或催化劑，利用過濾設(shè)備或透氣膜來獲得選擇性，控制工作溫度及環(huán)境濕度影響，改進(jìn)制備等方法可以改善SnO2傳感器的氣敏性能[4]。納米科學(xué)技術(shù)(Nano—ST)—100nm的物質(zhì)組成體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)的發(fā)展，不僅為傳感器提供了優(yōu)良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新型方法。納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，工作溫度大大降低，大大縮小了傳感器的尺寸。當(dāng)然，在己獲得明顯進(jìn)展的納米傳感領(lǐng)域中尚存在很多問題，從敏感材料到制作技術(shù)都很不成熟，其性能也有不盡人意的地方[5]。氣敏傳感器在家用電器中也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。吸油煙機(jī)等產(chǎn)品上常用MQ3型半導(dǎo)體氣敏傳感器，它采用旁熱式結(jié)構(gòu)，陶瓷管內(nèi)裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有SnO2材料，使SnO2燒結(jié)體位于兩電極之間[6]。氣敏傳感器工作時，加熱器通電加熱，若無被檢氣體侵入時，氣敏元件的阻值基本不變當(dāng)氣敏元件表面產(chǎn)生吸附作用，其阻值將隨氣體濃度的變化變化。當(dāng)被檢氣體濃度增大到一定值時，氣敏元件的阻值將隨之下降到某一值，使電壓比較器的狀態(tài)發(fā)生變化，輸出控制信號經(jīng)電流放大后，控制繼電器或雙向晶閘管接通電動機(jī)電源使吸排油煙機(jī)工作[7]。 設(shè)計酒精濃度探測儀的意義本設(shè)計基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計的酒精氣體濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機(jī)的酒精含量。酒后駕車發(fā)生事故的機(jī)率高達(dá)27%。隨著攝入酒精量的增加，選擇反應(yīng)錯誤率顯著增加，‰增至1‰，發(fā)生車禍的可能性便增加5倍，‰，可能性再增加6倍。機(jī)動車駕駛?cè)藛T“酒后駕車” 及“醉酒駕車”極易發(fā)生道路交通事故, 嚴(yán)重危害了道路交通安全和人民生命財產(chǎn)安全。人飲酒后, 酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收, 經(jīng)過血液循環(huán), 約有90%的酒精通過肺部呼氣排出, 因此測量呼氣中的酒精含量, 就可判斷其醉酒程度。開車司機(jī)只要將嘴對著傳感頭使勁吹氣，儀器就能發(fā)上顯示出酒精濃度的高低，從而判斷該司機(jī)是否酒后駕車，避免事故的發(fā)生。當(dāng)然，最好的辦法是在車內(nèi)安裝這種測試儀，司機(jī)一進(jìn)入車內(nèi)檢測儀就檢測司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。 酒精氣體濃度探測儀在生產(chǎn)生活中也有重要的應(yīng)用，比如，在一些環(huán)境要求嚴(yán)格的生產(chǎn)車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時檢測車間內(nèi)的酒精氣體濃度，當(dāng)酒精氣體濃度高于允許限定值時，發(fā)出警報，提醒人們及時通風(fēng)換氣，做到安全生產(chǎn)。 本文主要研究工作本文以AT89S51單片機(jī)為核心，設(shè)計了用于測量酒精濃度的探測儀，主要研究工作包括以下3個方面。（1）硬件電路方面，對氣體傳感器MQ3按檢測電路，接上一定阻值的負(fù)載電阻，檢測它的技術(shù)參數(shù)，確定MQ3所接負(fù)載電阻的大小，完成信號采樣電路的設(shè)計；采樣到的模擬電壓電信號通過A/D轉(zhuǎn)換，得到可供單片機(jī)處理的數(shù)字信號，再由單片機(jī)作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；發(fā)光二極管報警顯示和3個單位8段共陰數(shù)碼管濃度值顯示。（2）軟件方面，標(biāo)準(zhǔn)的確定是該部分要做的主要工作。因為原始的采樣值是一個間接的負(fù)載分壓值，需要將它轉(zhuǎn)化為被測酒精濃度值。通過多個樣品的測量確定多個濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，并將每個區(qū)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系近似線性化處理，然后通過軟件編程的方法來實現(xiàn)。（3）為了盡量減少設(shè)計的氣體傳感器的測量誤差，在測量酒精溶液樣品時要考慮并解決3個主要問題。一是外界環(huán)境流動空氣對傳感器的影響和對氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對測量帶來的誤差，三是水蒸氣對測量的影響。針對這3個主要問題提出以下解決方案和驗證方法。測量樣品時，將探頭盡量放入塑料瓶內(nèi)，可以在一定程度上消除流動空氣的影響，同時應(yīng)選擇空氣流動較小的室內(nèi)環(huán)境來測量。水蒸氣對MQ3的影響很小，這一點可以通過對只裝有純凈水的塑料瓶的多次測量來驗證。用相同容量的塑料瓶配制好不同濃度的酒精溶液后，將它密封并放置一段時間，待其穩(wěn)定后再測量。再通過反復(fù)多次測量多組數(shù)據(jù)，求其平均值的方法來縮小測量誤差。2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn) 單片機(jī)開發(fā)流程（1）可行性調(diào)研。可行性調(diào)研的目的，是分析完成這個項目的可能性。進(jìn)行這方面的工作，可參考國內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過類似的工作。如果有，則可分析他人是如何進(jìn)行這方面工作的，有什么有點和缺點，有什么值得借鑒的；如果沒有，則需要作進(jìn)一步的調(diào)研，此時的重點應(yīng)放在能否實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)，首先從理論上進(jìn)行分析，探討實現(xiàn)的可能性，所需求的客觀條件是否具備，然后結(jié)合實際情況，再決定能否立項的問題。（2）系統(tǒng)總體方案的設(shè)計。在進(jìn)行可行性調(diào)研后，如果可以立項，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計。工作的重點應(yīng)放在該項目的技術(shù)難度上，此時可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同部分和要實現(xiàn)的功能，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，提出合理而可行的技術(shù)指標(biāo)，編寫出設(shè)計任務(wù)書，從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計。（3）設(shè)計方案細(xì)化，確定軟硬件功能。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就是將該項目細(xì)化，即需明確哪些部分用硬件來完成，哪些部分用軟件來完成。由于硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會相互影響，因此，從簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、減少故障率、提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件來完成；但也應(yīng)考慮軟件代硬件的實質(zhì)是以降低系統(tǒng)的實時性、增加處理進(jìn)行為代價的，而且軟件設(shè)計費用、研制周期也將增加，因此系統(tǒng)的軟硬件功能分配應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求及實際情況而合理安排，統(tǒng)一考慮。在確定軟硬件功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計者的工作就開始涉及到具體的問題，如儀器的體積及與具體技術(shù)指標(biāo)相對應(yīng)的硬件實現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。在確定人員分工、安排工作進(jìn)度、規(guī)定接口參數(shù)后，就比須考慮硬件軟件的具體問題了。（4）一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)研、總體設(shè)計、硬件軟件設(shè)計、制版、元件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲器中放入編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運行。但一次性成功的幾乎是不是不可能的。由于單片機(jī)在執(zhí)行程序時人工是無法控制的，為了能夠調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運行情況，這就需要借助某種開發(fā)工具模擬用戶實際的單片機(jī)，并且能隨時觀察運行的中間過程而不改變運行中有的數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模擬現(xiàn)場的真實調(diào)試。 硬件系統(tǒng)框圖基于AT89S51單片機(jī)用MQ3型氣體傳感器實現(xiàn)酒精氣體濃度的檢測，需要信號采集模塊用于對酒精濃度信號的采集，該信號是通過MQ3氣體傳感器和負(fù)載電壓得到分壓電信號。信號轉(zhuǎn)換模塊用來把采集到得模擬電壓信號轉(zhuǎn)換位可以用單片機(jī)處理的數(shù)字信號。數(shù)碼管顯示模塊是對單片機(jī)處理后的數(shù)字信號的顯示，用來顯示酒精的濃度。報警模塊是對設(shè)定值提供報警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。根據(jù)各功能模塊的設(shè)計，可得到它的系統(tǒng)總框圖，如圖1所示。酒精氣敏傳感器LM3914發(fā)光二極管ADC0809單片機(jī)數(shù)碼管圖1 系統(tǒng)總框圖 信號采集電路 氣體傳感器的選擇根據(jù)被檢測氣體的不同，氣敏傳感器可分為以下三類:（1）可燃性氣體氣敏傳感器。目前該類氣敏傳感器需求量最大，包含各種無機(jī)和有機(jī)類氣體檢測，主要用于抽油煙機(jī)、泄露報警器和空氣清新劑等方面，并已經(jīng)形成生產(chǎn)規(guī)模，在油田、礦區(qū)、化工、企業(yè)及家庭等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域廣泛用作氣體泄露報普，特別是用于家庭氣體泄露報警，需求量不斷增加，使該類傳感器有著廣泛的發(fā)展空間。（2）CO和H2氣敏傳感器。CO氣敏元件可用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)保、汽車、家庭等CO泄露和不完全燃燒檢測報警；H2氣敏元件除應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域外，主要用于家庭管道煤氣泄露報警。由于我國管道煤氣中H2含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報警更為適宜。（3）毒性氣體傳感器。毒性氣體傳感器又稱為環(huán)境有毒有害氣體傳感器，主要用于檢測煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，雖然SnO2氣敏傳感器對CO，H2S等有毒有害氣體敏感，但應(yīng)用最多的仍是電解式化學(xué)傳感器。 傳感器的分類方式有很多種，以上是根據(jù)被檢測氣體的性質(zhì)進(jìn)行的分類，也有根據(jù)元件的物理特性進(jìn)行分類的。一個新型的氣體檢測系統(tǒng)應(yīng)該包括：（1）基于一種或幾種傳感技術(shù)的氣體傳感器。（2）組合了氣體傳感器和采樣調(diào)理電路的探頭。（3）配有人機(jī)接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。（4）在一些應(yīng)用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。本設(shè)計中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子有限公司的MQ3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖2所示：圖2 MQ3特點:檢測范圍為10ppm～2000ppm ；靈敏度高，輸出信號為伏特級；響應(yīng)速度快，小于10秒；，尺寸：D17*H10。 MQ3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當(dāng)其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導(dǎo)電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。MQ3的靈敏度特性曲線如 圖3所示。圖3 MQ3靈敏度特性曲線檢測電