【正文】 。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，產(chǎn)生誤報。目前，氣敏傳感器領域還存在一些問題。近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉型的發(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)絡化，它將不僅促進系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀新的經(jīng)濟增長點[1]。對不同的區(qū)間濃度和電壓轉換關系做線性化處理，簡化了硬件電路的設計。設計的傳感器對酒精氣體反應靈敏，能在有效范圍內測量它的濃度值。本文用AT89S51單片機與MQ3型氣體傳感器實現(xiàn)了對酒精濃度的測量。論文主要研究了（1）硬件方面，MQ3氣體傳感器技術參數(shù)的檢測和將它接入到酒精濃度檢測模塊中；將模擬電壓信號放大驅動發(fā)光二極管點亮報警；將采集到的模擬電壓信號通過單片機控制經(jīng)A/D轉換，得到數(shù)字電壓信號；用于顯示濃度的數(shù)碼管顯示模塊。并且在檢測低濃度酒精時誤差較小，%滿足設計要求。設計的傳感器可以檢測不同濃度的酒精氣體，改進之后對解決酒后駕車事故和特殊場合酒精檢測都可以使用。 由于氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經(jīng)是保護和改善生態(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。一是元件的穩(wěn)定性差。三是催化劑中毒。 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、結構及制作工藝密切相關。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。納米技術的發(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。吸油煙機等產(chǎn)品上常用MQ3型半導體氣敏傳感器，它采用旁熱式結構，陶瓷管內裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有SnO2材料，使SnO2燒結體位于兩電極之間[6]。酒后駕車發(fā)生事故的機率高達27%。開車司機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，從而判斷該司機是否酒后駕車，避免事故的發(fā)生。（1）硬件電路方面，對氣體傳感器MQ3按檢測電路，接上一定阻值的負載電阻，檢測它的技術參數(shù)，確定MQ3所接負載電阻的大小，完成信號采樣電路的設計；采樣到的模擬電壓電信號通過A/D轉換，得到可供單片機處理的數(shù)字信號，再由單片機作相應的數(shù)據(jù)處理；四位共陽數(shù)碼管濃度值顯示。（3）為了盡量減少設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。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。可行性調研的目的，是分析完成這個項目的可能性。在進行可行性調研后，如果可以立項，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設計。由于硬件結構與軟件方案會相互影響，因此，從簡化電路結構、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；但也應考慮軟件代硬件的實質是以降低系統(tǒng)的實時性、增加處理進行為代價的，而且軟件設計費用、研制周期也將增加，因此系統(tǒng)的軟硬件功能分配應根據(jù)系統(tǒng)的要求及實際情況而合理安排，統(tǒng)一考慮。但一次性成功的幾乎是不是不可能的。數(shù)碼管顯示模塊是對單片機處理后的數(shù)字信號的顯示，用來顯示酒精的濃度。（2）CO和H2氣敏傳感器。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，但應用最多的仍是電解式化學傳感器。（3）配有人機接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。 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型半導體微晶燒結層構成。圖3 MQ3靈敏度特性曲線檢測電路如圖4所示，當電源開關S斷開時，傳感器加熱電流為零，實測A，B之間電阻大于20MΩ。移開小瓶過1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復至大于120KΩ。MQ3的加熱電阻兩端即H引腳接至+5V直流穩(wěn)壓電源，用于電阻絲對敏感體電阻的加熱。MQ3型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構成分壓電路，采樣點為電位器的分壓。當氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時，對應的電位器的分壓值也會發(fā)生相應的變化，即一個電壓值對應著一個被測酒精氣體濃度。應為實驗所用的MQ3在預熱5到10分鐘后，它的敏感體電阻只有120KΩ，所以負載電阻選用兩個270Ω并聯(lián)，構成采樣部分的分壓電阻。現(xiàn)在，單片微機已不僅指單片計算機，還包括微計算機，微處理器，微控制器和嵌入式控制器，單片微機已是它們的俗稱[8]。根據(jù)實際需要，本次設計選用的是以8051為核心單元Atmel公司的低耗AT89S51單片機。GND：接地。使用片外存儲器時，作低八位地址和數(shù)據(jù)分時復用，能驅動8個LSTTL上拉電阻?？梢则寗?個LSTTL負載。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復位。ALE以1/6的振蕩頻率固定速率輸出，可作為對外輸出的時鐘或用作外部定時脈沖。對于選用的AT89S51單片機，根據(jù)美國ATMEL公司提供的技術資料，可以對它的最小系統(tǒng)作恰當?shù)脑O計，如圖8所示[9]。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。根據(jù)技術資料的推薦，使用石英晶體推薦電容容量為30pF177。對于復位電路部分，AT89S51技術資料給出，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。,但復位鍵按下后，電容和電阻選用的參數(shù)值能夠保證給復位端RST提供大于2個機器周期的高電平復位信號[10]。 圖8 ADC0808內部結構 由于在Proteus仿真軟件中找不到ADC0809芯片，所以在仿真時只能用ADC0808芯片來代替，但其工功能和原理是一樣的?！? 21~28：8位數(shù)字量輸出端。 　　START：A/D轉換啟動信號，輸入，高電平有效?！　LK：時鐘脈沖輸入端。 　　GND：地。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。采用查詢方式對輸入模擬信號進行A/D轉換，然后將數(shù)據(jù)通過三位八段數(shù)碼管顯示。由于ADC0808具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)瑣存器，其8位數(shù)據(jù)輸出端可以直接與數(shù)據(jù)總線相連。作為A/D轉換是否結束的狀態(tài)信號供單片機查詢。用于單片機對模數(shù)轉換是否結束的查詢，為單片機讀取數(shù)據(jù)作準備。－﹑D1﹑D2﹑D3﹑D4﹑D5﹑D6﹑D7端，用于讀取模數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)。圖11 四位數(shù)共陽碼管結構圖用單片機驅動數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示就是顯示驅動電路具有輸出鎖存功能，單片機將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就可以驅動數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時再傳送一次新的數(shù)據(jù)就可以了。設計選用一個四位共陽數(shù)碼管來顯示輸出的數(shù)據(jù)，因為電路硬件相對較簡單，所以選擇靜態(tài)顯示方法。移位寄存器74LS164串行數(shù)據(jù)輸入端與前一位的并行輸出最高位相連。圖15 整體電路圖3 軟件編程 開發(fā)環(huán)境選用的開發(fā)平臺為MedWin單片機集成開發(fā)環(huán)境，只需在PC機上安裝MedWin軟件，然后在MedWin軟件代碼編輯器編輯程序代碼，經(jīng)匯編，修改，產(chǎn)生代碼。本設計軟件編程部分選用匯編語言來寫程序代碼。利用單片機豐富的I/O口可以采用查詢方式來檢測模數(shù)轉換是否結束，可以開始讀取數(shù)據(jù)了。單片機選擇A/D通道地址A/D轉換結束？=1?數(shù)碼管顯示NY單片機初始化開始單片機讀取數(shù)據(jù)并作處理圖16 程序流程圖 程序代碼編寫系統(tǒng)電源線接通或者系統(tǒng)復位后，程序從主程序入口進入運行。START:MOV R7,60HMOV R0,20HCLR ALOOP:MOV R0,AINC R0DJNZ R7,LOOP初始化程序從數(shù)據(jù)存儲器地址為20H單元開始，到80H單元全部清零。所以單片機在將地址7FF8H寫入模數(shù)轉換芯片后，一方面模數(shù)轉換芯片鎖存地址選擇線的狀態(tài)，從而選通相應的模擬通道，同時啟動模數(shù)轉換。根據(jù)這思路可以寫出模數(shù)轉換的子程序代碼。如果所有位都當單字節(jié)除法來運算的話，對于有些要作雙字節(jié)除法的位上的數(shù)字則無法顯示，而能是顯示0。模數(shù)轉換后得到的數(shù)字電壓量被單片機讀取后還要作一定的數(shù)據(jù)處理，其中包括把電壓值轉換為與之相對應的酒精濃度值，根據(jù)總體設計思路，對電壓值都近似作對應區(qū)間的線性轉換。根據(jù)7段數(shù)碼管的字型碼如表2所示和移位寄存器74LS164的邏輯功能，將對應的共陰極字型碼放在一個表格中，然后通過查表的方式找到要顯示的數(shù)字送移位寄存器驅動數(shù)碼管顯示。除法運算是按位進行的，每一位是一個循環(huán)，每個循環(huán)中要作三件事，一是被除數(shù)左移一位，二是余數(shù)減除數(shù)，最后根據(jù)是否減來置商位為1或0。打開實驗開發(fā)平臺MedWin單片機集成開發(fā)環(huán)境，在MedWin軟件代碼編輯器編輯程序代碼，經(jīng)匯編，修改，產(chǎn)生代碼。打開MedWin軟件，將寫好的調試程序代碼在計算機上輸入、匯編、修改、產(chǎn)生代碼。先把氣體傳感器探頭用一個阻值為20kΩ的電阻替代，復位單片機，觀察數(shù)碼管上的顯示數(shù)據(jù)和發(fā)光二極管的點亮情況。測量數(shù)據(jù)與數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)基本一致，說明電路數(shù)碼管顯示部分連接正確。當把不同濃度的酒精溶液樣品靠接氣敏傳感器時，各自對應一個不同的數(shù)據(jù)顯示，說明整體電路已經(jīng)完全正確。圖17 調試電路圖 濃度與顯示之間的關系 傳感器的定標在系統(tǒng)電路調試正確以后，要作改進工作，使數(shù)碼管上正確顯示所測的酒精氣體濃度值。根據(jù)曲線圖的走向可以看出傳感器的酒精濃度檢測大致范圍，然后根據(jù)這個范圍選擇7個合適的濃度值，多次測量電壓值，再取平均值作為最后電壓值，把6個標準區(qū)間范圍定下來，如表3所示。根據(jù)編寫的數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)碼管最終顯示的是酒精濃度值小數(shù)部分的前3位數(shù)字。因此，對設計的傳感器可以在定標上作適當?shù)母倪M，就可以用于檢測酒后駕車。當傳感器的敏感部分吸附有酒精分子時，表面的導電電子比例就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測酒精氣體濃度的不同而發(fā)生相應的