【正文】 尺寸。氣敏傳感器在家用電器中也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。氣敏傳感器工作時(shí)，加熱器通電加熱，若無被檢氣體侵入時(shí)，氣敏元件的阻值基本不變當(dāng)氣敏元件表面產(chǎn)生吸附作用，其阻值將隨氣體濃度的變化變化。 設(shè)計(jì)酒精濃度探測儀的意義本設(shè)計(jì)基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精氣體濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機(jī)的酒精含量。隨著攝入酒精量的增加，選擇反應(yīng)錯(cuò)誤率顯著增加，‰增至1‰，發(fā)生車禍的可能性便增加5倍，‰，可能性再增加6倍。人飲酒后, 酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收, 經(jīng)過血液循環(huán), 約有90%的酒精通過肺部呼氣排出, 因此測量呼氣中的酒精含量, 就可判斷其醉酒程度。當(dāng)然，最好的辦法是在車內(nèi)安裝這種測試儀，司機(jī)一進(jìn)入車內(nèi)檢測儀就檢測司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動(dòng)，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。 本文主要研究工作本文以AT89S51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)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(gè)方面。（2）軟件方面，標(biāo)準(zhǔn)的確定是該部分要做的主要工作。通過多個(gè)樣品的測量確定多個(gè)濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，并將每個(gè)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(shí)現(xiàn)。一是外界環(huán)境流動(dòng)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。測量樣品時(shí)，將探頭盡量放入塑料瓶內(nèi)，可以在一定程度上消除流動(dòng)空氣的影響，同時(shí)應(yīng)選擇空氣流動(dòng)較小的室內(nèi)環(huán)境來測量。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(shí)間，待其穩(wěn)定后再測量。2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)開發(fā)流程（1）可行性調(diào)研。進(jìn)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(jìn)行過類似的工作。（2）系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。工作的重點(diǎn)應(yīng)放在該項(xiàng)目的技術(shù)難度上，此時(shí)可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同部分和要實(shí)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(biāo)，編寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書，從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就是將該項(xiàng)目細(xì)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。在確定軟硬件功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(biāo)相對應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。（4）一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)研、總體設(shè)計(jì)、硬件軟件設(shè)計(jì)、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(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。由于單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)人工是無法控制的，為了能夠調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運(yùn)行情況，這就需要借助某種開發(fā)工具模擬用戶實(shí)際的單片機(jī)，并且能隨時(shí)觀察運(yùn)行的中間過程而不改變運(yùn)行中有的數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模擬現(xiàn)場的真實(shí)調(diào)試。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(jī)處理的數(shù)字信號。報(bào)警模塊是對設(shè)定值提供報(bào)警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。酒精氣敏傳感器LM3914發(fā)光二極管ADC0809單片機(jī)數(shù)碼管圖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。（2）CO和H2氣敏傳感器。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(jià)格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報(bào)警更為適宜。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(yīng)用最多的仍是電解式化學(xué)傳感器。一個(gè)新型的氣體檢測系統(tǒng)應(yīng)該包括：（1）基于一種或幾種傳感技術(shù)的氣體傳感器。（3）配有人機(jī)接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)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。 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(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。圖3 MQ3靈敏度特性曲線檢測電路如圖4所示，當(dāng)電源開關(guān)S斷開時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測A，B之間電阻大于20MΩ。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。移開小瓶過1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復(fù)至大于120KΩ。經(jīng)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)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(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都正常，可以開始作信號采樣模塊電路的設(shè)計(jì)。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(gè)B引腳也連接在一起，作為敏感體電阻的另一個(gè)電極。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。當(dāng)其表面吸附有被測氣體酒精分子時(shí)，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。當(dāng)氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時(shí)，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(gè)電壓值對應(yīng)著一個(gè)被測酒精氣體濃度。 在采樣硬件電路中實(shí)際要考慮到MQ3的實(shí)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(yīng)與電源正極相連。應(yīng)為實(shí)驗(yàn)所用的MQ3在預(yù)熱5到10分鐘后，它的敏感體電阻只有120KΩ，所以負(fù)載電阻選用兩個(gè)270Ω并聯(lián)，構(gòu)成采樣部分的分壓電阻。它包括中央處理器CPU，隨機(jī)存儲器RAM，只讀存儲器ROM，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行口和I/O口等等。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4KBFlash閃存存儲器，128B內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。AT89S51芯片有40條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖6所示。 圖6 AT89S51芯片管腳VCC：運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)接電源正端。XTAL1：輸入到單片機(jī)內(nèi)部振蕩器的反相放大器。P0口：8位漏極開路的。P1口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)使用片外存儲器（ROM及RAM）時(shí)，輸出高8位地址。P3口：8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路，提供各種替代功能。RST：復(fù)位輸入信號，高電平有效。/VCC：片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。ALE/PROG：地址鎖存允許信號，輸出。單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括電源，晶振和復(fù)位電路三個(gè)部分。針對不同型號的單片機(jī)在最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)上會有一些差別。對于電源部分，～。對于晶振部分，AT89S51單片機(jī)中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳19對應(yīng)的XTAL1和18對應(yīng)的XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。如圖8所示，石英晶體及電容C1和C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。對于外接電容C1和C2的大小雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小還是會對振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度和溫度穩(wěn)定性帶來一定的影響。10pF，使用陶瓷諧振器推薦電容容量為40pF177。因?yàn)殡娐分薪拥氖鞘⒕w，所以設(shè)計(jì)中接的兩個(gè)電容C1和C2的容量都為33pF。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，可以按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)，所以復(fù)位電路的設(shè)計(jì)很有必要。如圖7所示，10μF的電容C3與270Ω的電阻并聯(lián)后再與一個(gè)10KΩ的電阻串聯(lián)，電容的正極端接到電源的正極，電容的另一端接至引腳RST。圖7 AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。輸入輸出與TTL兼容。下面說明各引腳功能?！? 21~28：8位數(shù)字量輸出端。如表1所示。 　　START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號，輸入，高電平有效。 　　OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。　　CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。 　　REF（+）、REF（）：基準(zhǔn)電壓。 　　GND：地。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。采用查詢方式對輸入模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)通過三位八段數(shù)碼管顯示。ALE端信號的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6。由于ADC0809具有三態(tài)輸出數(shù)據(jù)瑣存器，其8位數(shù)據(jù)輸出端可以直接與數(shù)據(jù)總線相連。由于ALE和START連在一起，ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。作為A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的狀態(tài)信號供單片機(jī)查詢。用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片寫入數(shù)據(jù)的寫信號。用于單片機(jī)對模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的查詢，為單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)作準(zhǔn)備。把模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的A2﹑A1﹑A0端分別用導(dǎo)線連接到地址鎖存器的低三位，用于選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換的通道。－﹑D1﹑D2﹑D3﹑D4﹑D5﹑D6﹑D7端，用于讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。圖10 ADC0809與單片機(jī)AT89S51接口電路 發(fā)光二極管顯示報(bào)警電路發(fā)光二極管集成驅(qū)動(dòng)芯片LM3914的管腳圖如圖11所示。10個(gè)電壓比較器的同相輸入（+）端分別接到10個(gè)等值電阻（1KΩ）串聯(lián)回路的10個(gè)分壓端。同理，要使LED2發(fā)光，*2=；要使LED10發(fā)光，*10=。本系統(tǒng)采用條狀顯示方式，即將引腳9和引腳3都接到電源的正極。當(dāng)檢測到酒精氣味時(shí)，氣敏傳感器的AB間電阻變小，LM3914的5端電位升高，通過比較放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管依次發(fā)光，從而區(qū)分出酒精含量的高低，直觀的看出所測的酒精濃度達(dá)到了哪個(gè)水平值，起到報(bào)警的作用。改變7腳與8腳之間電阻的阻值可以調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的顯示亮度，當(dāng)阻值增加亮度減弱，反之加強(qiáng)。數(shù)碼管是由若干發(fā)光二極管組合而成的，有共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)形。把8個(gè)發(fā)光二極管的陰極連接在一起構(gòu)成共陰極端，接進(jìn)電路時(shí)，共陰極端接地，給要發(fā)光顯示的二極管的陽極端接高電平可使該發(fā)光二極管導(dǎo)通點(diǎn)亮。圖13 8段共陰數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就可以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，直到下一次顯示數(shù)據(jù)需要更新時(shí)再傳送一次新的數(shù)據(jù)就可以了。動(dòng)態(tài)顯示需要時(shí)刻對顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多。設(shè)計(jì)選用3個(gè)單位8段共陰數(shù)碼管來顯示輸出的數(shù)據(jù)，因?yàn)殡娐酚布鄬^簡單，所以選擇靜態(tài)顯示方法。電路連接如圖14所示。移位寄存器74LS164串行數(shù)據(jù)輸入端與前一位的并行輸出最高位相連。因?yàn)槊课粩?shù)據(jù)串行輸出先輸出的是低位，所以數(shù)碼管引腳a、b、c、d、e、f、g、dg應(yīng)順序與對應(yīng)位的移位寄存器并行輸出端的0連接。圖15 整體電路圖3 軟件編程 開發(fā)環(huán)境選用的開發(fā)平臺為MedWin單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，只需在PC機(jī)上安裝MedWin軟件，然后在MedWin軟件代碼編輯器編輯程序代碼，經(jīng)匯編，修改，產(chǎn)生代碼。初始化器件后。本設(shè)計(jì)軟件編程部分選用匯編語言來寫程序代碼。因?yàn)锳DC0809的模擬輸入端IN0與負(fù)載電阻的一端用導(dǎo)線連在了一起。利用單片機(jī)豐富的I/O口可以采用查詢方式來檢測模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，可以開始讀取數(shù)據(jù)了。讀取后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)存儲器單元中，經(jīng)過單片機(jī)作相應(yīng)的處理，即要將該電壓值轉(zhuǎn)換為酒精濃度值，然后處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三位十進(jìn)制BCD碼用數(shù)碼管顯示。單片機(jī)選擇A/D通道地址A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？=1?數(shù)碼管顯示NY單片機(jī)初始化開始單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)并作處理圖16 程序流程圖 程序代碼編寫系統(tǒng)電源線接通或者系統(tǒng)復(fù)位后，程序從主程序入口進(jìn)入運(yùn)行。當(dāng)然，在程序運(yùn)行的過程當(dāng)中，還要用到工作寄存器，因?yàn)楣ぷ骷拇嫫鞫际桥R時(shí)存儲數(shù)據(jù)，不需要保存作為以后處理要用到的數(shù)據(jù)，所以工作寄存器的初始化這部分可以省去。START:MOV R7,60HMOV R0,20HCLR ALOOP:MOV R0,AINC R0DJNZ R7,LOOP初始化程序從數(shù)據(jù)存儲器地址為20H單元開始，到80H單元全部清零。對模擬電壓信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809加單片機(jī)AT89S51控制來完成。所以單片機(jī)在將地址7FF8H寫入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片后，一方面模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片鎖存地址選擇線的狀態(tài)，從而選通相應(yīng)的模擬通道，同時(shí)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809中模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出標(biāo)志位是EOC，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平有效。根據(jù)這思路可以寫出模數(shù)轉(zhuǎn)換的子程序代碼。而在處理過程中對于有些數(shù)據(jù)的處理，可能要碰到雙字節(jié)相除的情況。如果所有位都當(dāng)單字節(jié)除法來運(yùn)算的話，對于有些要作雙字節(jié)除法的位上的數(shù)字則無法顯示，而能是顯示0。思路明確后，實(shí)際電壓值轉(zhuǎn)換部分程序可以寫出來。模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字電壓量被單片機(jī)讀取后還要作一定的數(shù)據(jù)處理，其中包括把電壓值轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的酒精濃度值，根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路，對電壓值都近似作對應(yīng)區(qū)間的線性轉(zhuǎn)換。根據(jù)酒精濃度與電壓的線性映射關(guān)系，如表3所示，可以寫出該部分的程序代碼MOV B,100MVL ABMOV R6,AMOV R7,BMOV R5,0MOV R4,51ACALL DIV16MOV 70H,R6MOV 71H,R7MOV A,71HJNZ L5L1:MOV 72H,75CLR CMOV A,70HSUBB A,72HJNC L2ACALL PP0AJMP PPL2:MOV 72H,145CLR CMOV A,70HSUBB A,72HJNC L3ACALL PP1AJ