【正文】 ............................................................................................................................... 28 濃度與顯示之間的關(guān)系 ........................................................................................................ 29 5 結(jié)束語(yǔ) ....................................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 34 附 錄 ....................................................................................................................................... 35 致 謝 ....................................................................................................................................... 38 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘 要 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同濃度酒精的檢測(cè)和顯示，通過(guò)適當(dāng)改進(jìn)可以用于檢測(cè)酒后駕車(chē)。 論文主要研究了（ 1）硬件方面， MQ3 氣體傳感器技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)和將它接入到酒精濃度檢測(cè)模塊中；將模擬電壓信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮報(bào)警；將采集到的模擬電壓信號(hào)通過(guò)單片機(jī)控制經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字電壓信號(hào)；用于顯示濃度的數(shù)碼管顯示模塊。（ 3）對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。并且在檢測(cè)低濃度酒精時(shí)誤差較小，最大誤差為 %滿 足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于流動(dòng)空氣，樣品的穩(wěn)定性和水蒸氣的影響，提出了解決方案和驗(yàn)證方法。設(shè)計(jì)的傳感器可以檢測(cè)不同濃度的酒精氣體，改進(jìn)之后對(duì)解決酒后駕車(chē)事故和特殊場(chǎng)合酒精檢測(cè)都可以使用。 Analog voltage signal amplification to drive lightemitting diode light to alarm。 displaying the concentration in the digital tube display module.(2)In the Software, linear conversion between the concentration of the alcohol and the voltage and the digital display of the final concentration value.(3) The designed sensor is calibrated. The design of gas sensor is responsive to the alcohol, can measure concentration in the effective range of its concentration. And in the low concentration of alcohol in the test the error is small with the maximum error %, meeting requirements of the design. The characteristics of the thesis are to determine the standard. The solutions and verification methods are proposed about the flow of air samples, the sample stability and water vapor. The conversion between voltage and concentration in different range is treated as linear relationship. The design of sensor can detect different the alcohol gas with different concentration. It plays an important role to solve the drunkdriving accidents and alcohol testing for special occasions after improvement. Key Words: Gas sensor, A/D conversion, Singlechip Microputer畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 設(shè)計(jì)背景 我國(guó)傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)率超過(guò) 15%， 2020 年銷售額為 186 億元人民幣， 2020 年銷售額為 283 億元人民幣，預(yù)計(jì) 2020 年為 325 億元人民幣， 2020 年為 374 億元人民幣。近年來(lái)，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段，新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它將不僅促進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)和軍事變革，是 21 世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn) [1]。氣體傳感器是把氣體中的特定成分檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一類器件，用來(lái)對(duì)有害氣體，易燃易爆氣體等進(jìn)行安全檢測(cè)和報(bào)警，對(duì)生產(chǎn)生活中需要了解的氣體進(jìn)行檢測(cè)，分析，研究等。 目前，氣敏傳感器領(lǐng)域還存在一些問(wèn)題。由于元件電阻和靈敏度隨時(shí)間而不斷變化，漂移大給檢測(cè)結(jié)果的可靠性帶來(lái)不穩(wěn)定的因素 。由于在檢測(cè)氣體時(shí)，往往還存在著其它的干擾氣體 (如煙酒等 )，使氣敏元件發(fā)生交叉響應(yīng)，產(chǎn)生誤報(bào)。摻有催化劑的氣敏元件接觸某些氣體后，活性組分被毒化，將會(huì)改變?cè)倪x擇性，降低其敏感度和穩(wěn)定性，另外催化劑本身也存在著不穩(wěn)定性問(wèn)題。四是 SnO2 元件有時(shí)由于靈敏度過(guò)大導(dǎo)致誤報(bào)，但是在檢測(cè)某些低濃度氣體時(shí)靈敏度卻難以達(dá)到要求 [2]。用金屬氧化敏感材料制作的半導(dǎo)體式氣敏元件具有靈敏度高，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，體小質(zhì)輕，堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，目前仍以 SnO2材料為主 [3]。純 SnO2 的氣敏特性不甚好，尤其是它的熱穩(wěn)定性不高。盡管 SnO2 基傳感材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，作為材料也存在一定缺點(diǎn)。 納米科學(xué)技術(shù) (Nano— ST)是研究尺寸在 — 100nm 的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，工作溫度大大降低，大大縮小了傳感器的尺寸。 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(wú)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(cè)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(cè)儀，可用來(lái)檢測(cè)酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測(cè)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，當(dāng)血液中酒精含量由 ‰ 增至 1‰ ，發(fā)生車(chē)禍的可能性便增加 5 倍，如果增至 ‰ ，可能性再增加 6 倍。人飲酒后 , 酒精通過(guò)消化系統(tǒng)被人體吸收 , 經(jīng)過(guò)血液循環(huán) , 約有 90%的酒精通 過(guò)肺部呼氣排出 , 因此測(cè)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(chē)內(nèi)安裝這種測(cè)試儀，司機(jī)一進(jìn)入車(chē)內(nèi)檢測(cè)儀就檢測(cè)司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無(wú)法啟動(dòng)，這樣就可從根本上解決酒后駕車(chē)問(wèn)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(cè)量酒精濃度的探測(cè)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(guò)多個(gè)樣品的測(cè)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(guò)軟件編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。一是外界環(huán)境流動(dòng)空氣對(duì)傳感器的影響和對(duì)氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差，三是水蒸氣對(duì)測(cè)量的影響。 測(cè)量樣品時(shí)，將探頭盡量放入塑料瓶?jī)?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(lái)測(cè)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(cè)量。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)開(kāi)發(fā)流程 （ 1）可行性調(diào)研。進(jìn)行這方面的工作，可參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過(guò)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(guó)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(xiě)出設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，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(lái)，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(lái)完成，哪些部分用軟件來(lái)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(kāi)始涉及 到具體的問(wèn)題，如儀器的體積及與具體技術(shù)指標(biāo)相對(duì)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(guò)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(chǔ)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(wú)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(kāi)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(guò)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(chǎng)的真實(shí)調(diào)試。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊用來(lái)把采集到得模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換位可以用單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。報(bào)警模塊是對(duì)設(shè)定值提供報(bào)警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。 圖 1 系統(tǒng)總框圖 信號(hào)采集電路 氣體傳感器的選擇 根據(jù)被檢測(cè)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(guó)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(cè)煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，雖然 SnO2氣敏傳感器對(duì) 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(cè)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(cè)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 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 檢測(cè)電路如 圖 4 所示， 當(dāng)電源開(kāi)關(guān) S 斷開(kāi)時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測(cè) A， B 之間電阻大于 20MΩ。加熱開(kāi)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(kāi)小瓶過(guò) 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(cè)， MQ3 傳感器可以正常工作使用，對(duì)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(kāi)始作信號(hào)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(duì)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(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。 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。 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，所畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 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(chǔ)器 RAM，只讀存儲(chǔ)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(guó) 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(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器，