【文章內(nèi)容簡介】 酒精氣體濃度探測儀在生產(chǎn)生活中也有重要的應用，比如，在一些環(huán)境要求嚴格的生產(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，提醒人們及時通風換氣，做到安全生產(chǎn)。 本文主要研究工作 本文以 AT89S51 單片機為核心，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 ， 接上一定阻值的負載電阻， 檢測它的技術(shù)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(shè)計； 采樣到的武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 模擬電壓電信號 通過 A/D 轉(zhuǎn)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； 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， 標準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)換標準， 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。武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn) 單片機開發(fā)流程 （ 1）可行性調(diào)研?？尚行哉{(diào)研的目的，是分析完成這個項目的可能性。進行這方面的工作，可參考國內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進行過類似的工作。如果有，則可分析他人是如何進行這方面工作的，有什么有點和缺點，有什么值得借鑒的；如果沒有，則需要作進一步的調(diào)研，此時的重點應放在能否實現(xiàn)這個環(huán)節(jié)，首先從理論上進行分析，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。工作的重點應放在該項目的技術(shù)難度上，此時可參考這一方面更詳細、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，編寫出設(shè)計任務書，從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計。 （ 3）設(shè)計方案細化，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)指標相對應的硬件實現(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）一個單片機應用系統(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，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 機處理的數(shù)字信號。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。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 ，可得到它的武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 系統(tǒng)總框圖，如圖 1 所示。 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，包含各種無機和有機類氣體檢測，主要用于抽油煙機、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，但應用最多的仍是電解式化學傳感器。 酒精 氣敏傳感器 LM3914 發(fā)光二極管 ADC0809 單片機 數(shù)碼管 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 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)進行的分類，也有根據(jù)元件的物理特性進行分類的。 一個新型的氣體檢測系統(tǒng)應該包括： （ 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）配有人機接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。 （ 4）在一些應用中，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～ 2020ppm ； 靈敏度高，輸出信號為伏特級；響應速度快， 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 型半導體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面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 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 檢測電路 如 圖 4 所示， 當電源開關(guān) S 斷開時，傳感器加熱電流為零，實測 A， B 之間電阻 大于 20MΩ。 S 接通，則 f， f 之間電流由開始時 155mA 降至 153mA 而穩(wěn)定。加熱開始幾秒鐘后 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)字萬用表顯示值馬上由原來大于 120KΩ 降至 10KΩ 以下。移開小瓶過 1 分鐘左右 后， A， B 之間電阻恢復至大于 120KΩ。這種反應可以重復試驗，但要注意使空氣恢復到潔凈狀態(tài) 。 經(jīng)實驗的反復檢測， MQ3 傳感器可以正常工作使用，對不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應時間和恢復時間都正常，可以 開始作信號采樣模塊電路的設(shè)計。 圖 4 MQ3 檢測電路 信號采樣電路 信號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，用于電阻絲對敏感體電阻的加熱。 MQ3 的兩個 A 引腳相連，作為敏感體電阻的一個電極。 MQ3 的兩個 B 引腳也連接在一起，作為敏感體電阻的另一個電極。將電極斷 A接到電源正極，電極端 B 接兩個 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 型半導體微晶 燒結(jié)層構(gòu)成。 當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面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，所以能重復使用。 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。對酒精氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為對電位器分壓的采樣。 在采樣硬件電路中實際要考慮到 MQ3 的實際技術(shù)參數(shù)，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該部分應與電源正極相連。負載電阻要根據(jù) MQ3 實際的技術(shù)參數(shù)而選擇阻值合適的電阻。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，所武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 以負載電阻選用兩個 270Ω 并聯(lián)，構(gòu)成采樣 部 分 的分壓電阻。 圖 5 采樣模塊 信號轉(zhuǎn)換 電路 單片微機是單片微型計算機的譯名簡稱，在國內(nèi)也常稱為“單片微機”或“單片機”。它包括中央處理器 CPU，隨機存儲器 RAM，只讀存儲器 ROM，中斷系統(tǒng)，定時器 /計數(shù)器，串行口和 I/O 口等等?，F(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]。 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4K 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器，既可在線編程也可以用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。AT89S51 提供以下標準功能： 4KBFlash 閃存存儲器， 128B 內(nèi)部 RAM， 32 個 I/O 口線，看門狗，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。 根據(jù)實際 需要， 本次設(shè)計選用的是以 8051 為核心單元 Atmel 公司的低耗 AT89S51 單片機。 AT89S51 芯片有 40 條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖 6 所示。下面說明各引腳功能。 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 6 AT89S51 芯片管腳 VCC：運行和程序校驗時接電源正端。 GND：接地。 XTAL1：輸入到單片機內(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)部時鐘發(fā)生器。 P0 口： 8 位漏極開路的 。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(qū)動 8 個LSTTL 上拉電阻。 P1 口： 8 位、準雙向 I/O 口。 P2 口： 8 位 、準雙向 I/O 口。當使用片外存儲器（ ROM 及 RAM）時，輸出高 8 位地址?？梢则?qū)動 4 個 LSTTL 負載。 P3 口： 8 位、準雙向 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 定時器 /計數(shù)器 0 的外部輸入， —— T1 定時器 /計數(shù)器 1的外部輸入， —— WR 低電平有 效，輸出，片外存儲器寫選通， —— RD 低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 RST：復位輸入信號，高電平有效。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。 EA /VCC：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。高電平時選擇片內(nèi)程序存儲器，低電平時程序存儲器全部在片外而不管片內(nèi)是否有程序存儲器。 ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。 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。 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計包括電源，晶振和復位電路三個部分。這是使單片機正常工作的必要外圍電路部分。 針對不同型號的單片機在最小系統(tǒng)設(shè)計上會有一些差別。對于選用的AT89S51 單片機，根據(jù)美國 ATMEL 公司提供的技術(shù)資料，可以對它的最小系統(tǒng)作恰當?shù)脑O(shè)計， 如圖 8 所示 [9]。 對于電源部分，技術(shù)資料 中性能參數(shù)里 給出的標準工作電壓是 ～ 。因此，單片機的 引腳 40 對應的 VCC 接到 +5V 電源的正極，引腳 10 對應的 GND 接到 +5V 電源的接地端，為 AT89S51 單片機提供正常的工作電壓。 對于晶振部分， AT89S51 單 片機