【正文】 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 5060 的車禍與飲酒有關(guān)中國公安部門在 2021 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 AD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 第 1 章 前言 11 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 2021 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 01～ 10179。 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 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 12 國內(nèi)外氣體濃度檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 分析法 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 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 13 單片機(jī)與 PC 機(jī)串行通信研究背景 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以其優(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)用現(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)串行通信具有的現(xiàn)實(shí)及工業(yè)意義 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 AD 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 77 Professional 第 2 章 方案器件簡介 硬件設(shè)計(jì)部分主要包括 MCUADLCD 電源電平轉(zhuǎn)換芯片 21 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 STC89C52 有 40 個(gè)引腳 32 個(gè)外部雙向輸入輸出 IO 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 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 P0 口 P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 IO 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 IO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 別作為定時(shí)計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入 P10T2 和輸入 P11T2EX Flash 編程和程序校驗(yàn)期間 P1 接收低 8 位地址表 21 為 功能 表 21 引腳號 功能特性 P10 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 P11 T2EX 定時(shí)器計(jì)數(shù)器 2 捕獲重裝載觸發(fā)和方向控制 P2 口 P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO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 MOVXDPTR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 MOVXRI 指令時(shí) P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí) P2 亦接收高位地址和一些控制信號 P3 口 P3 口時(shí)一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO口 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動吸收或輸出電流 4 個(gè) TTL 邏輯門電路對 P3 口寫入 1 時(shí)它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口此時(shí)被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流 IILP3 口作為一般的 IO口線外更重要的用途是它的第二功能如表 22所示此外 P3口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號 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)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí) ALE 地址鎖存允許 輸出脈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 16 輸出固定的脈沖信號因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于 定時(shí)目的要注意的是每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè) ALE脈沖對 Flash存儲器編程器件改引腳還用于輸入編程脈沖 如有必要可通過對特殊功能寄存器 SFR 區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位復(fù)位可禁止 ALE操作該位置復(fù)位后只有一條 MOVX和 MOVC指令才能將 ALE激活此外該引腳會被微弱拉高單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效 程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號當(dāng) 89C5X 單片機(jī)由外部程序存儲器取指令或數(shù)據(jù)時(shí)每個(gè)機(jī)器周期兩次 有效即輸出兩個(gè)脈沖在次期間當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器將跳過兩次 PSEN 信號 VPP外部訪問允許欲使 CPU僅訪問外部程序存儲器地址為 0000HFFFHEA 端必須保持低電平接地需要注意的是如果加密位 LB1 被編程復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存 端狀態(tài) 如 端為高電平接 Vcc 端 CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令 Flash 存儲器編程時(shí)該引腳加上＋ 12V 的編程允許電源 Vpp 當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp 表 22 P3 口的第二功能 端口引腳 具體第二功能 P30 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 外中斷 0 外中斷 1 T0 定時(shí)計(jì)數(shù)器 0 T1