【文章內(nèi)容簡介】 12 全球汽車（包括個人用車和商用車）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 萬人死于道路交通事故，受傷者多達 5000 萬人，同時全球道路交通事故每年造成的直接經(jīng)濟損失為 5180 億美元，可見道路交通安全問題已成為全球性的主題。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路建設(shè)也得到了前所未有的發(fā)展 機遇。隨著公路運輸業(yè)的發(fā)展， 公安部交管局透露，截至 20xx 年 8月底，全國機動車保有量達到 億輛。其中，汽車保有量首次突破 1 億輛，占機動車總量的 %，是機動車的主要構(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，也給社會帶來了負面影響。 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試儀來測量駕駛員呼氣中酒精濃度是否超標是非常必要的，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的“炸彈”，隨時隨地都有可能爆炸，威脅著我們的安全。 精測試儀現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 喝酒后，呼 出的氣體會有酒味，表情行為會有反常。遠古時代人們利用鼻子作為傳感器，進行簡單的呼出氣體酒精測量。 19 世紀末出現(xiàn)了用體液對酒精進行定量分析。 1927 年，有科學家建議使用呼出氣體做酒精濃度分析?，F(xiàn)在，肺泡氣中酒精的測量技術(shù)有了很大的進步，有先進微處理器的酒精測試儀已被商品化。越來越多的國家開始禁止酒后駕車。精確的呼出氣體酒精測試和傳統(tǒng)的法醫(yī)血液酒精分析相比有許多優(yōu)點，例如，進行無毒的采樣，能進行現(xiàn)場處理，這樣為交警節(jié)省了時間，使交通控制更高效，能避免運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 限值來分辨酒后駕車 ，當呼出氣體酒精濃度測量用于交通執(zhí)法時，情況就變得錯綜復(fù)雜，要把所測量的呼出氣體酒精濃度換算成血液酒精濃度 。一般認為， 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 。對于把結(jié)果轉(zhuǎn)化成 BAC 的呼出氣體酒精測量儀，呼氣／血液酒精轉(zhuǎn)換系數(shù)是決定測試精度的重要因素。在美國、加拿大、澳大利亞，定量分析呼出氣體酒精測試儀已用了十多年，轉(zhuǎn)化系數(shù)為 2100： 1。在美國許多州，~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 的這種進退兩難的問題，至今沒有很好地解決 。 BAC 和 BAC 內(nèi)在轉(zhuǎn)化如下所述： 基于單片機的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 13 BAC=BACBAC/BAC 轉(zhuǎn)化系數(shù) 研究內(nèi)容 設(shè)計一個基于單片機的酒精濃度檢測系統(tǒng)，檢測結(jié)果用 LED 或 LCD 顯示器顯示?；?STC89C52 單片機， MQ3 酒精濃度傳感器，本設(shè)計設(shè)計一種具有檢測及超限報警功能的酒精濃度測試系統(tǒng)。 MQ3 對酒精濃度的變化，其阻值 產(chǎn)生相應(yīng)的變化，然后通過取樣電阻分壓的變化表現(xiàn)出來；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 MQ3 對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，進行 A/D 轉(zhuǎn)換后并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入單片機進行分析處理，再通過液晶板顯示出來。 基于單片機的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 14 第二章 硬件原理及設(shè)計 硬件總體設(shè)計思路 思路從設(shè)計的要求出發(fā)，要求是測試究竟氣體的濃度，必然要用到酒精傳感器。設(shè)計出來的儀器要對酒精快速響應(yīng)，預(yù)熱時間短，這就對酒精傳感器的性能指標由一定的要求，首先這個酒精傳感器本身就有很好的靈敏度，和檢測 到的酒精氣體發(fā)生化學反應(yīng)快。測量直觀要求儀器有一個顯示器，能直接從顯示器上讀取測試結(jié)果，這時選擇一個數(shù)碼管做顯示器。又考慮到酒精傳感器采集到的電信號是微弱模擬信號，而單片機所能處理的事數(shù)字信號，所以還要運用運放和一塊A/D 轉(zhuǎn)換芯片，把酒精傳感器采集到的模擬信號放大，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，再送到單片機進行信號處理，經(jīng)單片機運算處理的數(shù)字電信號最后送到數(shù)碼管進行顯示 設(shè)計總體框架 總框架流程圖 STC89C52 單片機 本系統(tǒng)采用單片機為控制核心。單片機 /MCU 主要有 51 基本型和 52 增強型，而相比之下 52 型比 51 型功能更為強大， ROM 和 RAM 存儲空間更大， 52 還兼容51 指令系統(tǒng)?；诒鞠到y(tǒng)設(shè)計內(nèi)容的需要，綜合考慮后，我們選擇單片機STC89C52 為控制核心；主要基于考慮 STC89C52 是無法解密低功耗 ,超低價高速，高可靠強抗靜電，強抗干擾 ,功能強大的單片機。 STC89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線，片內(nèi)振蕩 器及時鐘電路。同時 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 數(shù)碼管顯示 基于單片機的數(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?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(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硬件復(fù)位。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)本。 STC 單片機有 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 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 ?P2 口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 ?P3 口： P3 口時一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 ?RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ?ALE ：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈基于單片機的數(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 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 ?錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 ：程序儲存允許（ 錯誤 !未找到引用源。 ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 89C5X 單片機由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 有效，即輸出兩個脈沖。在次期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 信號。 ? EA /VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（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 。 傳感器的標準回路有兩部分組成：其一為加熱回路；其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻的變化 。 傳感器表面電阻 RS 的變化，是通過與其串聯(lián)的負載電阻 RL 上的有效電壓信號 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，標準回路如圖四所示，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 。 為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需要將傳感器預(yù)熱 5分鐘 。 MQ3酒精傳感器對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 酒精傳感器簡單的驅(qū)動回路和可靠的穩(wěn)定性是相比較于其他型號傳感器的優(yōu)點。 MQ3 酒精傳感器可用于機動車駕駛?cè)藛T及其他嚴禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場檢測，也可用于其 他場所乙醇蒸氣的檢測。 MQ3 酒精傳感器有 6 只針狀管腳，其中 4個管腳（兩個 A和兩個 B）用于信號讀取，兩個 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。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導(dǎo)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，所基于單片機的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 17 以能重復(fù)使用。當氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時，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)化為對電位器分壓的采樣。 MQ3 型氣敏傳感器技術(shù)指標如下： 使用氣體：酒精 (乙醇） 探測范圍： 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)時間： ? 10s（ 70% Response) 恢復(fù)時間： ? 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 ，靈敏度的調(diào)整是很重要的。 建議使用 200ppm 的乙醇蒸汽校準傳感器。當精確測量時，報警點的設(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；儲存溫度在 20℃ 70℃ 范圍；相對濕度要求不大于 95%RH；氧氣濃度在 21%(標準條件 )?；芈冯妷阂?≤15V（ AC or DC） ，加熱電壓要求是 177。 V，測量電壓不大于 24V。負載電阻要可調(diào)，加熱電阻是 31Ω177。3Ω；加熱功耗 ≤900mW，屬于小功率；探測空氣中酒精濃度范圍100ppm20xxppm。 為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測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 。 對于本系統(tǒng)而言，就是用于快速 、 高精度地對輸入的酒精濃度信號進行采樣編碼，將其轉(zhuǎn)換成單片機所能夠處理的數(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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號輸入端可以是傳感器或轉(zhuǎn)換器的輸出，而 ADC 的數(shù)字信號也可能提供給微處理器，以便廣泛地應(yīng)用。 基于單片機的數(shù)字酒精氣體傳感系統(tǒng) 19 CS 、 RD 、 WR 是數(shù)字控制輸入端，滿足標準 TTL 邏輯電平。其中 CS 和 WR 用來控制 A/D 轉(zhuǎn)換的啟動信號。 CS 、 RD 用來讀 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，當它們同時為低電平時，輸出數(shù)據(jù)鎖存器 DB0～ DB7 各端上出現(xiàn) 8 位并行二進制數(shù)碼。ADC0801～ 0805 片內(nèi)有時鐘電路，只要在外部“ CLKI”和“ CLKR”兩端外接一對電阻電容即可產(chǎn)生 A/D 轉(zhuǎn)換所要 求的時鐘，其振蕩頻率為 fCLK≈ 1/。其典型應(yīng)用參數(shù)為： R=10K， C=150PF， fC