【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 12 全球汽車（包括個(gè)人用車和商用車）保有量最遲到 20xx 年將突破 10 億量。隨著汽車保有量的增加，交通事故也在不斷的增加，全世界每年約有 120 萬(wàn)人死于道路交通事故，受傷者多達(dá) 5000 萬(wàn)人，同時(shí)全球道路交通事故每年造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為 5180 億美元，可見(jiàn)道路交通安全問(wèn)題已成為全球性的主題。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路建設(shè)也得到了前所未有的發(fā)展 機(jī)遇。隨著公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展， 公安部交管局透露，截至 20xx 年 8月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到 億輛。其中，汽車保有量首次突破 1 億輛，占機(jī)動(dòng)車總量的 %，是機(jī)動(dòng)車的主要構(gòu)成部分 。隨著汽車使用量的增加和道路交通事業(yè)的發(fā)展，也給社會(huì)帶來(lái)了負(fù)面影響。 為了能夠有效的防止酒后駕駛造成的此類危害，研究一種酒精含量測(cè)試儀來(lái)測(cè)量駕駛員呼氣中酒精濃度是否超標(biāo)是非常必要的，降低交通事故的發(fā)生率。駕駛員酒后駕車就像一顆顆流動(dòng)的“炸彈”，隨時(shí)隨地都有可能爆炸，威脅著我們的安全。 精測(cè)試儀現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 喝酒后，呼 出的氣體會(huì)有酒味，表情行為會(huì)有反常。遠(yuǎn)古時(shí)代人們利用鼻子作為傳感器，進(jìn)行簡(jiǎn)單的呼出氣體酒精測(cè)量。 19 世紀(jì)末出現(xiàn)了用體液對(duì)酒精進(jìn)行定量分析。 1927 年，有科學(xué)家建議使用呼出氣體做酒精濃度分析?，F(xiàn)在，肺泡氣中酒精的測(cè)量技術(shù)有了很大的進(jìn)步，有先進(jìn)微處理器的酒精測(cè)試儀已被商品化。越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始禁止酒后駕車。精確的呼出氣體酒精測(cè)試和傳統(tǒng)的法醫(yī)血液酒精分析相比有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，進(jìn)行無(wú)毒的采樣，能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，這樣為交警節(jié)省了時(shí)間，使交通控制更高效，能避免運(yùn)輸和貯存有艾滋病病毒和肝炎病毒的血樣。 由于最早使用 BAC 極 限值來(lái)分辨酒后駕車 ，當(dāng)呼出氣體酒精濃度測(cè)量用于交通執(zhí)法時(shí)，情況就變得錯(cuò)綜復(fù)雜，要把所測(cè)量的呼出氣體酒精濃度換算成血液酒精濃度 。一般認(rèn)為， 2100： 1 呼出氣體中所含的酒精和 11血液中所含的酒精量 相等 。對(duì)于把結(jié)果轉(zhuǎn)化成 BAC 的呼出氣體酒精測(cè)量?jī)x，呼氣／血液酒精轉(zhuǎn)換系數(shù)是決定測(cè)試精度的重要因素。在美國(guó)、加拿大、澳大利亞，定量分析呼出氣體酒精測(cè)試儀已用了十多年，轉(zhuǎn)化系數(shù)為 2100： 1。在美國(guó)許多州，~2101BAC 為飲酒駕駛處罰極限， 2100： 1 的 BAC/BAC 的轉(zhuǎn)化系數(shù)直接體現(xiàn)在立法條例中，如果不 這樣 ，立法確定大于等于 ~1 為犯罪極限，還得強(qiáng)調(diào) 2100： 1的轉(zhuǎn)化系數(shù)。假設(shè)有這種可能， BAC 是合法的，而 BAC 不合法 ，反之亦然。立法中存在 的這種進(jìn)退兩難的問(wèn)題，至今沒(méi)有很好地解決 。 BAC 和 BAC 內(nèi)在轉(zhuǎn)化如下所述： 基于單片機(jī)的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 13 BAC=BACBAC/BAC 轉(zhuǎn)化系數(shù) 研究?jī)?nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的酒精濃度檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)結(jié)果用 LED 或 LCD 顯示器顯示?；?STC89C52 單片機(jī)， MQ3 酒精濃度傳感器，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一種具有檢測(cè)及超限報(bào)警功能的酒精濃度測(cè)試系統(tǒng)。 MQ3 對(duì)酒精濃度的變化，其阻值 產(chǎn)生相應(yīng)的變化，然后通過(guò)取樣電阻分壓的變化表現(xiàn)出來(lái)；人體血液酒精濃度的不同，其呼出的氣體中酒精濃度也不同。通過(guò) MQ3 對(duì)呼出氣體中酒精濃度的反應(yīng)以取樣電壓的形式送入到 ADC0809，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理，再通過(guò)液晶板顯示出來(lái)。 基于單片機(jī)的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 14 第二章 硬件原理及設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì)思路 思路從設(shè)計(jì)的要求出發(fā)，要求是測(cè)試究竟氣體的濃度，必然要用到酒精傳感器。設(shè)計(jì)出來(lái)的儀器要對(duì)酒精快速響應(yīng)，預(yù)熱時(shí)間短，這就對(duì)酒精傳感器的性能指標(biāo)由一定的要求，首先這個(gè)酒精傳感器本身就有很好的靈敏度，和檢測(cè) 到的酒精氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)快。測(cè)量直觀要求儀器有一個(gè)顯示器，能直接從顯示器上讀取測(cè)試結(jié)果，這時(shí)選擇一個(gè)數(shù)碼管做顯示器。又考慮到酒精傳感器采集到的電信號(hào)是微弱模擬信號(hào)，而單片機(jī)所能處理的事數(shù)字信號(hào)，所以還要運(yùn)用運(yùn)放和一塊A/D 轉(zhuǎn)換芯片，把酒精傳感器采集到的模擬信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)，再送到單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理的數(shù)字電信號(hào)最后送到數(shù)碼管進(jìn)行顯示 設(shè)計(jì)總體框架 總框架流程圖 STC89C52 單片機(jī) 本系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心。單片機(jī) /MCU 主要有 51 基本型和 52 增強(qiáng)型，而相比之下 52 型比 51 型功能更為強(qiáng)大， ROM 和 RAM 存儲(chǔ)空間更大， 52 還兼容51 指令系統(tǒng)?；诒鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的需要，綜合考慮后，我們選擇單片機(jī)STC89C52 為控制核心；主要基于考慮 STC89C52 是無(wú)法解密低功耗 ,超低價(jià)高速，高可靠強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾 ,功能強(qiáng)大的單片機(jī)。 STC89C52 有 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口， 2 個(gè)讀寫(xiě)口線，片內(nèi)振蕩 器及時(shí)鐘電路。同時(shí) STC89C52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并酒精氣體 MQ3傳感器 ADC0809 52單片機(jī) 數(shù)碼管顯示 基于單片機(jī)的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 15 支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。其將通用的微處理器和 Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)本。 STC 單片機(jī)有 PDIP、 PQFP/TQFP 及 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 STC89C52 單片機(jī)引腳如圖 ： 圖 STC89C52 引腳圖 ?Vcc：電源電壓 ?GND：地 ?P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 ?P1 口： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 ?P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 ?P3 口： P3 口時(shí)一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。 ?RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ?ALE ：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈基于單片機(jī)的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 16 沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。 ?錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：程序儲(chǔ)存允許（ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) 89C5X 單片機(jī)由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在次期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次 信號(hào)。 ? EA /VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使 CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFH）， 端必須保持低電平（接地）。 ?XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 ?XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端 MQ3 酒精傳感器 MQ3 型氣敏傳感器由微型 Al2O 陶瓷管和 SnO2 敏感層 、 測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或者不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件 。 傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有兩部分組成：其一為加熱回路；其二為信號(hào)輸出回路，它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻的變化 。 傳感器表面電阻 RS 的變化，是通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻 RL 上的有效電壓信號(hào) VRL 出面獲得的 。 二者之間的關(guān)系表述為： RS/RL=(VC－ VRL)/VRL，其中 VC 為回路電壓 10V。 負(fù)載電阻 RL 可調(diào)為 ～ 200K，加熱電壓 Uh 為 5V。 上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為 0～5V。 MQ3 型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形如圖 所示，標(biāo)準(zhǔn)回路如圖四所示，傳感器阻值變化率與酒精濃度 、 外界溫度的關(guān)系如圖 所示 。 為了使測(cè)量的精度達(dá)到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測(cè)量前需要將傳感器預(yù)熱 5分鐘 。 MQ3酒精傳感器對(duì)乙醇蒸氣有很高的靈敏度，并且響應(yīng)和恢復(fù)快速。另外，MQ3 酒精傳感器簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)回路和可靠的穩(wěn)定性是相比較于其他型號(hào)傳感器的優(yōu)點(diǎn)。 MQ3 酒精傳感器可用于機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T及其他嚴(yán)禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，也可用于其 他場(chǎng)所乙醇蒸氣的檢測(cè)。 MQ3 酒精傳感器有 6 只針狀管腳，其中 4個(gè)管腳（兩個(gè) A和兩個(gè) B）用于信號(hào)讀取，兩個(gè) H腳用于提供加熱電流。 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，所基于單片機(jī)的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 17 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。 MQ3 型氣敏傳感器技術(shù)指標(biāo)如下： 使用氣體：酒精 (乙醇） 探測(cè)范圍： 10~1000*106 特征氣體： 100*106 靈敏度： Rin air/Rin typical gas? 5 敏感體電阻： 400~4000kΩ（空氣中） 響應(yīng)時(shí)間： ? 10s（ 70% Response) 恢復(fù)時(shí)間： ? 30s（ 70% Response) 加熱電阻： 31Ω? 3Ω 加熱電流： ? 180mA 加熱電壓： 5V? 加熱功率： ? 900mW 工作條件 ：環(huán)境溫度：－ 10~65 攝氏度 濕度： ? 95%RH 貯存條件：溫度：－ 20~70 攝氏度 濕度： ? 70%RH 靈敏度調(diào)整： MQ3 型氣敏元件對(duì)不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使用此類型氣敏元件時(shí) ，靈敏度的調(diào)整是很重要的。 建議使用 200ppm 的乙醇蒸汽校準(zhǔn)傳感器。當(dāng)精確測(cè)量時(shí)，報(bào)警點(diǎn)的設(shè)定應(yīng)考慮溫濕度的影響。 電路圖如圖 ： 圖 MQ3 傳感器電路圖 基于單片機(jī)的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 18 MQ3 工作條件 使用溫度在 20℃ —55℃ 范圍；儲(chǔ)存溫度在 20℃ 70℃ 范圍；相對(duì)濕度要求不大于 95%RH；氧氣濃度在 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件 )?；芈冯妷阂?≤15V（ AC or DC） ，加熱電壓要求是 177。 V，測(cè)量電壓不大于 24V。負(fù)載電阻要可調(diào)，加熱電阻是 31Ω177。3Ω；加熱功耗 ≤900mW，屬于小功率；探測(cè)空氣中酒精濃度范圍100ppm20xxppm。 為了使測(cè)量的精度達(dá)到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測(cè)量前需要將傳感器預(yù)熱 5 分鐘。 MQ3靈敏度特性曲線資料如圖 ： 圖 MQ3靈敏度特性曲線 本靈敏度曲線圖條件： 溫度： 20℃ 、相對(duì)濕度： 65%、氧氣濃度： 21% RL=5kΩ Rs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。 R0: 元件在潔凈空氣中的電阻值。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，是架起模擬系統(tǒng)跟數(shù)字系統(tǒng)之間連接的橋梁 。 對(duì)于本系統(tǒng)而言，就是用于快速 、 高精度地對(duì)輸入的酒精濃度信號(hào)進(jìn)行采樣編碼，將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所能夠處理的數(shù)字量 。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量 。 所謂 A/D 轉(zhuǎn)換器就是模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC），是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。信號(hào)輸入端可以是傳感器或轉(zhuǎn)換器的輸出，而 ADC 的數(shù)字信號(hào)也可能提供給微處理器，以便廣泛地應(yīng)用。 基于單片機(jī)的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 19 CS 、 RD 、 WR 是數(shù)字控制輸入端，滿足標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平。其中 CS 和 WR 用來(lái)控制 A/D 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)。 CS 、 RD 用來(lái)讀 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當(dāng)它們同時(shí)為低電平時(shí)，輸出數(shù)據(jù)鎖存器 DB0～ DB7 各端上出現(xiàn) 8 位并行二進(jìn)制數(shù)碼。ADC0801～ 0805 片內(nèi)有時(shí)鐘電路，只要在外部“ CLKI”和“ CLKR”兩端外接一對(duì)電阻電容即可產(chǎn)生 A/D 轉(zhuǎn)換所要 求的時(shí)鐘，其振蕩頻率為 fCLK≈ 1/。其典型應(yīng)用參數(shù)為： R=10K， C=150PF， fC