【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)。 本文主要研究工作 本文以 AT89S51 單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了用于測(cè)量酒精濃度的探測(cè)儀，主要研究工作包括 以下 3 個(gè)方面。 （ 1）硬件電路方面， 對(duì) 氣體傳感器 MQ3 按檢測(cè)電路 ， 接上一定阻值的負(fù)載電阻， 檢測(cè)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(hào)采樣電路 的設(shè)計(jì)； 采樣到的武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 模擬電壓電信號(hào) 通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換， 得到可供單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào) ， 再由單片機(jī)作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理； 發(fā)光二極管報(bào)警顯示和 3 個(gè)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?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。通過(guò)多個(gè)樣品的測(cè)量確定多個(gè)濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)， 并 將每個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系近似線性化處理，然后通過(guò)軟件 編程 的方法 來(lái) 實(shí)現(xiàn)。 （ 3） 為了盡量減少設(shè)計(jì)的氣體傳感器的測(cè)量誤差， 在測(cè)量 酒精溶液樣品 時(shí)要考慮 并解決 3 個(gè) 主要問(wèn)題 。一是外界環(huán)境流動(dòng)空氣對(duì)傳感器的影響和對(duì)氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差，三是水蒸氣對(duì)測(cè)量的影響。針對(duì)這 3 個(gè)主要問(wèn)題 提出以下解決方案和驗(yàn)證方法。 測(cè)量樣品時(shí)，將探頭盡量放入塑料瓶?jī)?nèi)，可以在一定程度上消除流動(dòng)空氣的影響，同時(shí)應(yīng)選擇空氣流動(dòng)較小的室內(nèi)環(huán)境來(lái)測(cè)量。 水蒸氣對(duì) MQ3 的影響很小 ，這一點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)只裝有純凈水的塑料瓶的多次測(cè)量來(lái)驗(yàn)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(shí)間，待其穩(wěn)定后再測(cè)量。再 通過(guò)反復(fù)多次測(cè)量多組數(shù)據(jù)，求其平均值的方法來(lái)縮小測(cè)量誤差。武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)開(kāi)發(fā)流程 （ 1）可行性調(diào)研?？尚行哉{(diào)研的目的，是分析完成這個(gè)項(xiàng)目的可能性。進(jìn)行這方面的工作，可參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過(guò)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(diǎn)和缺點(diǎn)，有什么值得借鑒的；如果沒(méi)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(wèn)題。 （ 2）系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行可行性調(diào)研后，如果可以立項(xiàng)，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。工作的重點(diǎn)應(yīng)放在該項(xiàng)目的技術(shù)難度上，此時(shí)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(shí)現(xiàn)的功能，參考國(guó)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(jì)任務(wù)書，從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。 （ 3）設(shè)計(jì)方案細(xì)化，確定軟硬件功能。一旦總體方案確定下來(lái)，下一步的工作就是將該項(xiàng)目細(xì)化，即需明確哪些部分用硬件來(lái)完成，哪些部分用軟件來(lái)完成。由于硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)相互影響，因此，從簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來(lái) 完成；但也應(yīng)考慮軟件代硬件的實(shí)質(zhì)是以降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、增加處理進(jìn)行為代價(jià)的，而且軟件設(shè)計(jì)費(fèi)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(shí)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(jì)者的工作就開(kāi)始涉及到具體的問(wèn)題，如儀器的體積及與具體技術(shù)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)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(wèn)題了。 （ 4）一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)研、總體設(shè)計(jì)、硬件軟件設(shè)計(jì)、制版、元件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中放入編制好的應(yīng)用程序， 系統(tǒng)即可運(yùn)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(shí)人工是無(wú)法控制的，為了能夠調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運(yùn)行情況，這就需要借助某種開(kāi)發(fā)工具模擬用戶實(shí)際的單片機(jī)，并且能隨時(shí)觀察運(yùn)行的中間過(guò)程而不改變運(yùn)行中有的數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模擬現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)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(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(guò) MQ3 氣體傳感器和負(fù)載電壓得到分壓電信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊用來(lái)把采集到得模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換位可以用單片 機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。數(shù)碼管顯示模塊是對(duì)單片機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)的顯示，用來(lái)顯示酒精的濃度。報(bào)警模塊 是對(duì)設(shè)定值提供報(bào)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(jì) ，可得到它的武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 系統(tǒng)總框圖，如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)總框圖 信號(hào)采集 電路 氣體傳感器的選擇 根據(jù)被檢測(cè)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(wú)機(jī)和有機(jī)類氣體檢測(cè)，主要用于抽油煙機(jī)、泄露報(bào)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(bào)普，特別是用于家庭氣體泄露報(bào)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(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。由于我國(guó)管道煤氣中 H2含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價(jià)格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報(bào)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(cè)煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，雖然 SnO2氣敏傳感器對(duì) 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。 酒精 氣敏傳感器 LM3914 發(fā)光二極管 ADC0809 單片機(jī) 數(shù)碼管 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 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。 一個(gè)新型的氣體檢測(cè)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(cè)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(jì)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(diǎn) :檢測(cè)范圍為 10ppm～ 2020ppm ； 靈敏度高，輸出信號(hào)為伏特級(jí)；響應(yīng)速度快， 小于 10 秒；功耗 小于 ，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(cè)氣體酒精分子時(shí)，表面導(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)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 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 檢測(cè)電路 如 圖 4 所示， 當(dāng)電源開(kāi)關(guān) S 斷開(kāi)時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測(cè) A， B 之間電阻 大于 20MΩ。 S 接通，則 f， f 之間電流由開(kāi)始時(shí) 155mA 降至 153mA 而穩(wěn)定。加熱開(kāi)始幾秒鐘后 A， B 之間電阻迅速下降至 10KΩ 以下，然后又逐漸上升至 120KΩ 以上后并保持著。此時(shí)如果將酒精溶液樣品 靠近 MQ3 傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬(wàn)用表顯示值馬上由原來(lái)大于 120KΩ 降至 10KΩ 以下。移開(kāi)小瓶過(guò) 1 分鐘左右 后， A， B 之間電阻恢復(fù)至大于 120KΩ。這種反應(yīng)可以重復(fù)試驗(yàn)，但要注意使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài) 。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)檢測(cè)， MQ3 傳感器可以正常工作使用，對(duì)不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都正常，可以 開(kāi)始作信號(hào)采樣模塊電路的設(shè)計(jì)。 圖 4 MQ3 檢測(cè)電路 信號(hào)采樣電路 信號(hào)的采樣模塊電路如圖 5 所示。 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 的兩個(gè) A 引腳相連，作為敏感體電阻的一個(gè)電極。 MQ3 的兩個(gè) B 引腳也連接在一起，作為敏感體電阻的另一個(gè)電極。將電極斷 A接到電源正極，電極端 B 接兩個(gè) 270Ω 并聯(lián)的電阻。 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。 MQ3 型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物 SnO2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(cè)氣體酒精分子時(shí)，表面導(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)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。 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。對(duì)酒精氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為對(duì)電位器分壓的采樣。 在采樣硬件電路中實(shí)際要考慮到 MQ3 的實(shí)際技術(shù)參數(shù)，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該部分應(yīng)與電源正極相連。負(fù)載電阻要根據(jù) MQ3 實(shí)際的技術(shù)參數(shù)而選擇阻值合適的電阻。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，所武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 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。 圖 5 采樣模塊 信號(hào)轉(zhuǎn)換 電路 單片微機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的譯名簡(jiǎn)稱，在國(guó)內(nèi)也常稱為“單片微機(jī)”或“單片機(jī)”。它包括中央處理器 CPU，隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，只讀存儲(chǔ)器 ROM，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，串行口和 I/O 口等等?，F(xiàn)在，單片微機(jī)已不僅指單片計(jì)算機(jī)，還包括微計(jì)算機(jī)，微處理器，微控制器和嵌入式控制器，單片微機(jī)已是它們的俗稱 [8]。 AT89S51 是美國(guó) 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。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4KBFlash 閃存存儲(chǔ)器， 128B 內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線，看門狗，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 根據(jù)實(shí)際 需要， 本次設(shè)計(jì)選用的是以 8051 為核心單元 Atmel 公司的低耗 AT89S51 單片機(jī)。 AT89S51 芯片有 40 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 6 所示。下面說(shuō)明各引腳功能。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 6 AT89S51 芯片管腳 VCC：運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)接電源正端。 GND：接地。 XTAL1：輸入到單片機(jī)內(nèi)部振蕩器的反相放大器。 XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。 P0 口： 8 位漏極開(kāi)路的 。使用片外存儲(chǔ)器時(shí)，作低八位地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用，能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè)LSTTL 上拉電阻。 P1 口： 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P2 口： 8 位 、準(zhǔn)雙向 I/O 口。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（ ROM 及 RAM）時(shí)，輸出高 8 位地址。可以驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。 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。 —— RXD 串行口輸入口， —— TXD 串行口輸出口， —— INT0 外部中斷 0 輸入， —— INT1 外部中斷 1 輸入， —— T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 的外部輸入， —— T1 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1的外部輸入， —— WR 低電平有 效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫選通， —— RD 低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 RST：復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器工作時(shí)，在 RST 上作用兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，將器件復(fù)位。 EA /VCC：片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。高電平時(shí)選擇片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，低電平時(shí)程序存儲(chǔ)器全部在片外而不管片內(nèi)是否有程序存儲(chǔ)器。 ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)，輸出。 ALE 以 1/6 的振蕩頻率固定速率輸出，可作為對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用作外部定時(shí)脈沖。 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。這是使單片機(jī)正常工作的必要外圍電路部分。 針對(duì)不同型號(hào)的單片機(jī)在最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)上會(huì)有一些差別。對(duì)于選用的AT89S51 單片機(jī)，根據(jù)美國(guó) ATMEL 公司提供的技術(shù)資料，可以對(duì)它的最小系統(tǒng)作恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)， 如圖 8 所示 [9]。 對(duì)于電源部分，技術(shù)資料 中性能參數(shù)里 給出的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是 ～ 。因此，單片機(jī)的 引腳 40 對(duì)應(yīng)的 VCC 接到 +5V 電源的正極，引腳 10 對(duì)應(yīng)的 GND 接到 +5V 電源的接地端，為 AT89S51 單片機(jī)提供正常的工作電壓。 對(duì)于晶振部分， AT89S51 單 片機(jī)