【正文】 排油煙機(jī)工作。機(jī)動(dòng)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(cái)產(chǎn)安全。 酒精氣體濃度探測(cè)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(cè)儀，可隨時(shí)檢測(cè)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(shí)，發(fā)出警報(bào)，提醒人們及時(shí)通風(fēng)換氣，做到安全生產(chǎn)。因?yàn)樵嫉牟蓸又凳且粋€(gè)間接的負(fù)載分壓值，需要將它轉(zhuǎn)化為被測(cè)酒精濃度值。針對(duì)這3個(gè)主要問題提出以下解決方案和驗(yàn)證方法。再通過反復(fù)多次測(cè)量多組數(shù)據(jù)，求其平均值的方法來縮小測(cè)量誤差。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(diǎn)和缺點(diǎn)，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(shí)的重點(diǎn)應(yīng)放在能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)，首先從理論上進(jìn)行分析，探討實(shí)現(xiàn)的可能性，所需求的客觀條件是否具備，然后結(jié)合實(shí)際情況，再?zèng)Q定能否立項(xiàng)的問題。(3)設(shè)計(jì)方案細(xì)化，確定軟硬件功能。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。 硬件系統(tǒng)框圖基于AT89S51單片機(jī)用MQ3型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)酒精氣體濃度的檢測(cè)，需要信號(hào)采集模塊用于對(duì)酒精濃度信號(hào)的采集，該信號(hào)是通過MQ3氣體傳感器和負(fù)載電壓得到分壓電信號(hào)。根據(jù)各功能模塊的設(shè)計(jì)，可得到它的系統(tǒng)總框圖，如圖1所示。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(cè)報(bào)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(bào)警。傳感器的分類方式有很多種，以上是根據(jù)被檢測(cè)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。（4）在一些應(yīng)用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。 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。圖3 MQ3靈敏度特性曲線檢測(cè)電路如圖4所示，當(dāng)電源開關(guān)S斷開時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測(cè)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(fù)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(duì)敏感體電阻的加熱。MQ3型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，采樣點(diǎn)為電位器的分壓。當(dāng)氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時(shí)，對(duì)應(yīng)的電位器的分壓值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，即一個(gè)電壓值對(duì)應(yīng)著一個(gè)被測(cè)酒精氣體濃度。應(yīng)為實(shí)驗(yàn)所用的MQ3在預(yù)熱5到10分鐘后，它的敏感體電阻只有120KΩ，所以負(fù)載電阻選用兩個(gè)270Ω并聯(lián)，構(gòu)成采樣部分的分壓電阻。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。AT89S51芯片有40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖6所示。XTAL1：輸入到單片機(jī)內(nèi)部振蕩器的反相放大器。P1口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口。P3口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路，提供各種替代功能。/VCC：片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效。單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括電源，晶振和復(fù)位電路三個(gè)部分。對(duì)于電源部分，～。如圖8所示，石英晶體及電容C1和C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。10pF，使用陶瓷諧振器推薦電容容量為40pF177。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，可以按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)，所以復(fù)位電路的設(shè)計(jì)很有必要。圖7 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。下面說明各引腳功能。如表1所示。 　　OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 　　REF（+）、REF（）：基準(zhǔn)電壓。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。ALE端信號(hào)的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6。由于ALE和START連在一起，ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。用于對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片寫入數(shù)據(jù)的寫信號(hào)。把模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的A2﹑A1﹑A0端分別用導(dǎo)線連接到地址鎖存器的低三位，用于選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道。圖10 ADC0809與單片機(jī)AT89S51接口電路 發(fā)光二極管顯示報(bào)警電路發(fā)光二極管集成驅(qū)動(dòng)芯片LM3914的管腳圖如圖11所示。同理，要使LED2發(fā)光，*2=；要使LED10發(fā)光，*10=。當(dāng)檢測(cè)到酒精氣味時(shí)，氣敏傳感器的AB間電阻變小，LM3914的5端電位升高，通過比較放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管依次發(fā)光，從而區(qū)分出酒精含量的高低，直觀的看出所測(cè)的酒精濃度達(dá)到了哪個(gè)水平值，起到報(bào)警的作用。數(shù)碼管是由若干發(fā)光二極管組合而成的，有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)形。圖13 8段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就可以驅(qū)動(dòng)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(shí)再傳送一次新的數(shù)據(jù)就可以了。設(shè)計(jì)選用3個(gè)單位8段共陰數(shù)碼管來顯示輸出的數(shù)據(jù)，因?yàn)殡娐酚布鄬?duì)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(tái)為MedWin單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，只需在PC機(jī)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(shè)計(jì)軟件編程部分選用匯編語言來寫程序代碼。利用單片機(jī)豐富的I/O口可以采用查詢方式來檢測(cè)模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，可以開始讀取數(shù)據(jù)了。單片機(jī)選擇A/D通道地址A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？=1?數(shù)碼管顯示NY單片機(jī)初始化開始單片機(jī)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(fù)位后，程序從主程序入口進(jìn)入運(yùn)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(chǔ)器地址為20H單元開始，到80H單元全部清零。所以單片機(jī)在將地址7FF8H寫入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片后，一方面模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片鎖存地址選擇線的狀態(tài)，從而選通相應(yīng)的模擬通道，同時(shí)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)這思路可以寫出模數(shù)轉(zhuǎn)換的子程序代碼。如果所有位都當(dāng)單字節(jié)除法來運(yùn)算的話，對(duì)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(zhuǎn)換后得到的數(shù)字電壓量被單片機(jī)讀取后還要作一定的數(shù)據(jù)處理，其中包括把電壓值轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的酒精濃度值，根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路，對(duì)電壓值都近似作對(duì)應(yīng)區(qū)間的線性轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的共陰極字型碼放在一個(gè)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(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。除法運(yùn)算是按位進(jìn)行的，每一位是一個(gè)循環(huán)，每個(gè)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(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)MedWin單片機(jī)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(diào)試程序代碼在計(jì)算機(jī)上輸入、匯編、修改、產(chǎn)生代碼。先把氣體傳感器探頭用一個(gè)阻值為20kΩ的電阻替代，復(fù)位單片機(jī)，觀察數(shù)碼管上的顯示數(shù)據(jù)和發(fā)光二極管的點(diǎn)亮情況。測(cè)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(dāng)把不同濃度的酒精溶液樣品靠接氣敏傳感器時(shí)，各自對(duì)應(yīng)一個(gè)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(diào)試電路圖 濃度與顯示之間的關(guān)系 傳感器的定標(biāo)在系統(tǒng)電路調(diào)試正確以后，要作改進(jìn)工作，使數(shù)碼管上正確顯示所測(cè)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(cè)大致范圍，然后根據(jù)這個(gè)范圍選擇7個(gè)合適的濃度值，多次測(cè)量電壓值，再取平均值作為最后電壓值，把6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)設(shè)計(jì)的傳感器可以在定標(biāo)上作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，就可以用于檢測(cè)酒后駕車。當(dāng)傳感器的敏感部分吸附有酒精分子時(shí)，表面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電阻會(huì)隨著被測(cè)酒精氣體濃度的不同而發(fā)生相應(yīng)的變化，且這種變化是可逆的，可重復(fù)使用。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，得到3位BCD碼并將3位送送數(shù)碼管顯示。當(dāng)駕駛者按下遙控器上的開門按鈕，酒精探測(cè)儀也隨之啟動(dòng)，然后駕駛者對(duì)著小管口吹氣，酒精濃度會(huì)經(jīng)由感應(yīng)器上的小綠燈或小紅燈顯示出來。參考文獻(xiàn)[1] 司士輝．生物傳感器[M]．化學(xué)工業(yè)出版社，2003．[2] 吳桂秀．傳感器應(yīng)用制作入門[M]．浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2004．[3] 彭軍．傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]．西安電子科技大學(xué)出版社，2003．[4] 陳杰，黃鴻．傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2003．[5] 吳桂秀．傳感器應(yīng)用制作入門[M]．浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2004．[6] 張錫富．傳感器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．[7] 郁有文．傳感器原理及工程應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003．[8] 樓然苗，李光飛．51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2003．[9] 朱定華，戴汝平．單片微機(jī)原理與應(yīng)用[M]．清華大學(xué)出版社，2003．[10] 胡乾斌，李光斌，李玲．單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用[M]．華中科技大學(xué)出版社，2002．[11] 胡漢才．單片機(jī)原理與借口技術(shù)[M]．清華大學(xué)出版社，2004．[12] 余家春．Protel 99 SE電路設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M]．中國鐵道出版社，2004．[13] 張培仁．基于匯編語言編程MCS51單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003．[14] T．Someya，J．Small，P． Kim，C．Nuckolls，J．T．Yardley．Alcohol vapor sensorsbased on singlewalled carbon nanotube field effect transistors[M]．Nano Letters，2003．[15] M．Penza et al．Alcohol detection using carbon nanotubes acoustic and optical sensors[M]．Applied Physics Letters，2004．[16] F．Rettig，R．Moos．Direct thermoelectric gas sensors Design aspects and first gas sensors[M]．Sens Actuators B，2007．致 謝基于AT89S51單片機(jī)酒精濃度探測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文已