【文章內(nèi)容簡介】 ，給 社會和廣大人民群眾生命、健康造成嚴(yán)重危害。 20xx 年以來，酒后駕車行為所造成事故越來越多，對社會的影響也越來越大，酒精逐漸成為兇殘的“馬路殺手”。在許多國家，車禍已成為第一位意外死亡原因。另外，交通事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失也相當(dāng)驚人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約 50%— 60%的車禍與飲酒有關(guān)。中國公安部門在 20xx 年 8月，在全國各地加強(qiáng)查處酒后駕駛的力度，以減少由酒后駕駛造成的惡性交通事故。要查處就涉及到檢測人體內(nèi)的酒精含量和使用設(shè)備來進(jìn)行檢測的問題。 近年來我國煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)狀況不容樂觀，中小型煤礦的情況尤為嚴(yán)重，已經(jīng)直 接威脅到整個(gè)煤炭工業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)，給國家財(cái)產(chǎn)和人民生命造成了很大的損失，作為“萬惡之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故發(fā)生率之首。出于安全考慮，甲烷濃度的測量，顯得尤為重要。 基于以上可以看出，有關(guān)氣體的濃度檢測問題顯得尤為重要。本文研究設(shè)計(jì)了一種可以測量多種氣體濃度，并可以進(jìn)行超限報(bào)警的智能測試儀。其設(shè)計(jì)方案基于 STC89C52 單片機(jī)， MQ3 酒精濃度傳感器， MQ4 甲烷濃度傳感器。系統(tǒng)將傳感器回路輸出的信號通過以 AD0832 為核心的 A/D 轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后，經(jīng)由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由 LCD 顯示酒精濃度值。并設(shè)計(jì)一定的 限值，超限聲光報(bào)警。限值可由按鍵調(diào)整。考慮到單片機(jī)計(jì)算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，故 單片機(jī)系統(tǒng)與 PC 機(jī)系統(tǒng)通過 RS232 串行通信端口進(jìn)行互連 ，從而 單片機(jī)用作下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，而 PC 機(jī)用做上位機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和對單片機(jī)的控制。 從現(xiàn)實(shí)角度考慮，此儀器可以讓開車的人知道自己在什么情況下可以開車；煤礦井是否處在安全的狀態(tài)下等等。這是一個(gè)在現(xiàn)代生活很實(shí)用，很負(fù)責(zé)的一個(gè)設(shè)計(jì)，對社會的健康發(fā)展具有積極的意義。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 1 章 前言 氣敏傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 目前半導(dǎo)體氣體傳感器的研究動態(tài)及其發(fā)展方向 —— 氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，美國 1996 年 — 20xx 年氣體傳感器年均增長率為（ 27～ 30）％。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測（ ～ 10）179。 10－ 6 硫 化氫低功耗氣體傳感器，美國 IST 提供了壽命達(dá) 10 年以上的氣體傳感器，美國 FirstAlert公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗 CO 氣體傳感器等。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。如美國 GeneralMonitors 公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國 IST 公司的具有微處理器的“ MegaGas”傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。 氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國 家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。其現(xiàn)狀是： （ 1）燒結(jié)型氣敏元件仍是生產(chǎn)的主流，占總量 90％以上；接觸燃繞式氣敏元件已具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器有了試制產(chǎn)品 。 （ 2）在工藝方面引入了表面摻雜、表面覆膜以及制作表面催化反應(yīng)層和修隔離層等工藝，使燒結(jié)型元件由廣譜性氣敏發(fā)展成選擇性氣敏；在結(jié)構(gòu)方面研制了補(bǔ)償復(fù)合結(jié)構(gòu)、組合差動結(jié)構(gòu)以及集成化陣列結(jié)構(gòu)；在氣敏材料方面 SnO2 和Fe2O3 材料已用于批量生產(chǎn)氣敏元件，新研究開發(fā)的 Al2O3 氣敏材料、石英晶體和有機(jī)半導(dǎo)體等也開始用于氣敏材料 。 （ 3）低功耗氣敏元件（如一氧化碳，甲烷等氣敏元件）已從產(chǎn)品研究進(jìn)入中試 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 （ 4）國內(nèi)氣敏元件傳感器產(chǎn)量已超過“九五”初期的 400 萬支。產(chǎn)量超過20 萬支的主要廠家有 5 家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司（合資）、北京電子管廠（特種電器廠），其中前四家都超過100 萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)， 1998 年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過 600 萬支。 總的看來，我國氣敏元件傳感器及其應(yīng)用技術(shù)有了較快進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平仍有較大的差距，主要是產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用等方面的差距，與日本比較仍要落后 10 年。 國內(nèi)外氣體濃度檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 （ 1）超聲波技術(shù) 超聲原理測量氣體濃度是近 10 年來隨著電子技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新技術(shù)，同時(shí)具有測量范圍寬、精度高、無節(jié)流、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。超聲波技術(shù)是利用超聲波在某種氣體中的傳播速度與當(dāng)前氣體溫度和氣體性質(zhì)的關(guān)系，通過測量超聲波在氣體中的傳播速度以及氣體溫度，進(jìn)而推算出氣體的大概濃度。超聲波技術(shù)測量氣體濃度克服了傳統(tǒng)氣體檢測方法的缺點(diǎn)。在大流量、大管徑的氣體濃度檢測方面，完全可以適應(yīng)未來工業(yè)生產(chǎn)中的高精度測量。目前，影響該 技術(shù)測量精度的因素主要是工作環(huán)境的差異，極易受到周圍壓力、溫度、濕度等因素的影響。在進(jìn)行測量時(shí)，必須采用補(bǔ)償措施，盡量減小誤差，以此來保證測量精度。 （ 2）氣敏法 在進(jìn)行檢測時(shí)，通過將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出。根據(jù)被測氣體的種類，其分析方法也不同。氣敏技術(shù)主要應(yīng)用于氣敏傳感器檢測氣體的濃度。氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結(jié)構(gòu)以及制作工藝密切相關(guān)。其中采用金屬氧化敏感材料制作的半導(dǎo)體氣敏元件具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。但是采用氣敏法檢測氣體濃度也存在不足。由于在氣體檢測儀中一 般將氣敏元件與標(biāo)準(zhǔn)元件組成測量電橋電路，所以電橋電路的非線性以及電橋供電電壓的大小會對測量精度產(chǎn)生很大的影響。除此之外，在檢測時(shí)還需要考慮本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 現(xiàn)場溫度、空氣擾動等因素，為此必須采取補(bǔ)償電路等措施。該方法適合對測量精度要求不高的場所。 （ 3）光干涉法 光干涉法是利用光的折射率與被測氣體的含量有關(guān)來檢測氣體濃度的。當(dāng)被測氣體的氣室與空氣室同時(shí)充入空氣時(shí)，如果兩束光所經(jīng)過的光程相同，則干涉條紋不產(chǎn)生移動。如果改變氣室中被測氣體的成分、溫度或壓力，折射率會發(fā)生改變，光程也隨之改變，干涉條紋從而發(fā)生移動。而當(dāng)兩氣室溫度和 壓力相等時(shí)，干涉條紋的移動量與氣體濃度成正比，只要測得移動量，便可測得氣體溫度。在采用光干涉法對氣體溫度進(jìn)行測量時(shí)，必須考慮到周圍測量環(huán)境的影響，如溫度、濕度、壓力等。 （ 4）被動檢氣管法 在檢氣管內(nèi)的惰性載體上涂漬對被測氣體有效的顯色劑，氣體通過檢氣管端口擴(kuò)散進(jìn)入管內(nèi)，在經(jīng)過惰性載體時(shí)，與惰性載體上的顯色劑發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生顏色的變化。檢氣管顯色長度的平方與被測氣體濃度及采樣時(shí)間的乘積存在一定的線性關(guān)系，從而求出環(huán)境中氣體的時(shí)間加權(quán)濃度。被動檢氣管法與傳統(tǒng)的方法相比較，檢氣管結(jié)構(gòu)簡單、分析快速、操作方便， 并且不受被測環(huán)境的空間大小、有無電源的影響；攜帶非常方便，利于外出測定和大面積布點(diǎn)測定；使用后的載體以及主要顯色劑可以進(jìn)行回收循環(huán)利用，不產(chǎn)生環(huán)境污染。一般情況下，被測氣體的溫度、風(fēng)速、濕度等外部因素對測定無明顯影響。 除上述介紹的 4 種非光學(xué)氣體濃度檢測法外，還有熱催化法、色譜分析法等非光學(xué)分析法。 在光學(xué)分析中，主要基于光譜學(xué)，利用光和大氣污染分子相互作用的特性進(jìn)行檢測，具有大范圍、高組分、連續(xù)實(shí)時(shí)檢測的特點(diǎn)，已成為氣體濃度檢測的理想工具。主要有差分吸收光譜技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜 技術(shù)、可調(diào)諧激光二極管激光吸收光譜技術(shù)、差分吸收激光雷達(dá)和拉曼散射激光雷達(dá)技術(shù)等等。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 單片機(jī)與 PC 機(jī)串行通信研究背景 和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， PC 機(jī) 以其優(yōu)越的性價(jià)比和豐富的軟件資源成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主流機(jī)種。單片機(jī)自誕生以來以其性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大，在智能儀器、工業(yè)裝備以及日用電子消費(fèi)品中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代化集中管理需要對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、制表、打印、繪圖、報(bào)警等 ,同時(shí) ， 又要求對現(xiàn)場裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，完成各種規(guī)定操作，達(dá)到集中管理的目的。 由于 單片機(jī)的計(jì)算能力有限，難以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù) 處理。因此在功能比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，通常以 PC 機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集及對裝置的控制，而由上位機(jī)完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及對單片機(jī)的控制 ， 二者結(jié)合，使得單片機(jī)的應(yīng)用已不僅僅局限于傳統(tǒng)意義上的自動監(jiān)測或控制，而形成了向以網(wǎng)絡(luò)為核心的分布式多點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。 在一般的利用 PC 機(jī)對單片機(jī)進(jìn)行控制的場合，采用 Windows 作為上位機(jī)的平臺，其優(yōu)點(diǎn)是界面友好，編程和操作都比較容易。因此研究 PC 機(jī)與單片機(jī)串行通信具有 重要 的現(xiàn)實(shí)及工業(yè)意義。 本氣體濃度測試儀的設(shè)計(jì)內(nèi)容 本論文主要完成氣體 濃度測試儀軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： A/D 轉(zhuǎn)換程序、超標(biāo)報(bào)警、鍵盤檢測控制、數(shù)據(jù)顯示、串口通信程序等。 本系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心，以實(shí)現(xiàn)氣體濃度測試儀的基本控制功能。系統(tǒng)主要功能內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)信號采集濾波、開始測量、超標(biāo)報(bào)警、鍵盤檢測控制、串口通信、 PC 機(jī)處理數(shù)據(jù)等。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用功能模塊化的設(shè)計(jì)思想，本論文內(nèi)容分為以下幾個(gè)章節(jié)：設(shè)計(jì)器件簡介和選擇；硬件的設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試。并 利用 Proteus Professional 單片機(jī)仿真軟件對單片機(jī)系統(tǒng)的顯示模塊進(jìn)行仿真調(diào)試。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2 章 方案器件簡 介 硬件設(shè)計(jì)部分主要包括： MCU、 A/D、 LCD、 電源電平轉(zhuǎn)換芯片 、數(shù)據(jù)選擇器等芯片的選擇，以下做一些器件的比較。 MCU 簡介 本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及控制部分以單片機(jī)為核心。 我們選擇單片機(jī) STC89C52為控制核心，主 要基于考慮 STC89C52 低功耗、超低價(jià)高速度、高可靠、超強(qiáng)抗靜電，超強(qiáng)抗干擾、無法解密等優(yōu)點(diǎn)。此外，其 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 ，512 字節(jié) RAM 對于本系統(tǒng)的程序大小而言，已基本夠用。 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)讀寫口線，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路， STC89C5X 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。同時(shí) STC89C52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。 空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 。 掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 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(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)引腳功能圖如圖 21所示 : VCC:電源電壓 VSS:即地 XTAL1： 振蕩器反相放大器的及內(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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 21 單片機(jī)引腳圖 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。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口 P0寫“ 1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問器件激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 口 ： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流（ IIL）。 和 還可分別作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和輸入 ()。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8位地址。表 21為 和 的第二功能。 表 21 引腳號 功能特性 T2： 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 外部計(jì)數(shù)脈沖輸入，時(shí)鐘輸出 T2EX： 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 捕獲重裝載觸發(fā)和方向控制 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 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 的輸出緩沖級可驅(qū)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口 P2 寫“ 1”，通過內(nèi)部的 上拉電阻把端口拉到高電平，同時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流（ IIL）。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時(shí)， P2口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@RI 指令）時(shí)，P2 口輸出 P2 鎖存器