【文章內(nèi)容簡介】 酒精傳感器的消耗電流小，并且通電初期的穩(wěn)定時間短，其電路部分僅需要電池就可以滿足供電需要，比半導(dǎo)體傳感器的精度高、靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)，適宜用在檢驗(yàn)人體呼出氣體的酒精含量中。目前最常用的是 AVR、MCS5PIC 系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完整的按位操作的系統(tǒng)，稱作位處理器，能夠進(jìn)行的位傳送、置位、清零、測試、邏輯運(yùn)算等，功能完備。51系列的另外一個優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，給編程帶來方便。Intel公司51系列的典型產(chǎn)品是8051，片內(nèi)有4K字節(jié)的一次性程序存儲器（OTP）。At mel公司就將其改為電可改寫的閃速存儲器（Flash），容許改寫1000次以上，這給編程和調(diào)試帶來極大的便利，其產(chǎn)品AT89C5AT89C52……等成為了當(dāng)今最流行的八位單片機(jī)。PIC 系列單片機(jī)采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，指令流水線結(jié)構(gòu)，程序存儲器的訪問和數(shù)據(jù)存儲器的訪問并行處理。但編程時分頁比較麻煩，擴(kuò)展能力比較弱。AVR是集合了PIC和51的優(yōu)勢的，指令周期比PIC還要快，性價(jià)比比PIC要高，F(xiàn)LASH在線編程比PIC方便，學(xué)AVR會感到它的結(jié)構(gòu)跟PIC差不多，很多相似的，就是用C語言開發(fā)置位麻煩一點(diǎn)，位操作不如PIC和51方便，工業(yè)級也用的不廣，多用于儀器、通信上。基于本設(shè)計(jì)要求的性價(jià)比以及所實(shí)現(xiàn)功能，選用Atmel公司的AT89C52單片機(jī)。AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號?；诒敬卧O(shè)計(jì)的要求，選用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。0809是一款8通道復(fù)用的8位AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)獲取的關(guān)鍵部分是它的8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。這個部分主要是由3部分組成：256R的階梯網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)逼近的電阻，和比較器。連續(xù)逼近電阻（SAR）通過8次迭代去大約逼近輸入電壓，只要輸出是幾位，那么就需要幾次迭代。SAR通過8組開關(guān)組和比較器完成獲取輸入電壓對應(yīng)參考電壓的數(shù)字信號。AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)　　1）分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。 　　2） 轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比 較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率 (Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表 示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件是整個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)硬件電路主要由酒精傳感器測試電路、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、控制電路、顯示電路、語音報(bào)警電路及光電報(bào)警電路組成，各部分設(shè)計(jì)如下。 酒精傳感器測試電路的設(shè)計(jì)MR513型氣敏元件通過氣體吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)變化及電傳導(dǎo)變化的原理，由白金線圈電阻值變化測定氣體濃度。MR513由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃?xì)怏w時檢測元件電阻減小，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度增大而成比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫度補(bǔ)償作用。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。當(dāng)氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生變化時，對應(yīng)的電位器的分壓值也會發(fā)生相應(yīng)的變化，即一個電壓值對應(yīng)著一個被測酒精氣體濃度。對酒精氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為電位器分壓的采樣。MR酒精傳感器對乙醇蒸氣有很高的靈敏度和良好的選擇性，具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性，具有長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性，具有簡單的驅(qū)動回路等特點(diǎn)。在采樣硬件電路中實(shí)際要考慮到MR的實(shí)際參數(shù)，應(yīng)為實(shí)驗(yàn)所用的MR在預(yù)熱5到10分鐘后。傳感器測試電路如下圖： 信號采集放大電路設(shè)計(jì)本次選用的酒精傳感器為燃料電池型酒精傳感器，該燃料電池型酒精傳感器基于電化學(xué)原理制備而成，電路僅需要電池就可以滿足其工作。傳感器輸出為模擬電壓信號，首先通過儀表放大器LM339放大，最后把已放大的模擬電壓信號傳輸至ADC0809的輸入端進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)。儀表放大器選用的是LM339,LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1：失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2：電源電壓范圍寬，單電源為236V，雙電源電壓為177。1V177。18V；3：對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4：共模范圍很大，為0~（）Vo；5：差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6：輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選315K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 本設(shè)計(jì)中采用電位器模擬經(jīng)酒精傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號再經(jīng)過放大器的輸入信號。 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 （1）ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由下圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)該八位轉(zhuǎn)換芯片，是把基準(zhǔn)電壓量化成256等份，然后通過逐次逼近法，對外部的模擬信號進(jìn)行取樣比較，確定其所在的等級，即所對應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)的大小。由此可知，8位轉(zhuǎn)換芯片的精確度為基準(zhǔn)電壓除以256的值，如接5V基準(zhǔn)電壓時。 （2）ADC0809引腳結(jié)構(gòu)ADC0809各腳