测控技术与仪器专业毕业设计（论文）酒精浓度测试仪的设计与实现

1、南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学院（系）： 机 电 工 程 系专 业： 测控技术与仪器学 生： 指导教师： 完成日期 二0一一年 五 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 酒精浓度测试仪的设计与实现 the design and implementation of alcohol concentration tester 总 计： 29 页表 格： 4 个插 图 ： 17 幅南阳理工学院本科生毕业设计（论文）酒精浓度测试仪的设计与实现the design and implementation of alcohol concentration tester 学 院（系）： 机电工

2、程系 专 业： 测控技术与仪器 学 生 姓 名： 学 号： 29107011 指 导 教 师（职称）： 评阅教师： 完 成 日 期： 2011年5月 南阳理工学院nanyang institute of technology酒精浓度测试仪的设计与实现酒精浓度测试仪的设计与实现测控技术与仪器专业 摘 要：本设计测试对象为空气中的酒精气体浓度。首先通过气敏传感器mq-j1 完成了对空气中酒精气体浓度信号向电信号的转换，并利用集成芯片lm3914和发光二极管实现了对其浓度的简单指示，在此基础上，又利用单片机stc12c5a60s2和数码管对其浓度具体数值进行精确显示，可满足生产、生活中大多测量需求。

3、关键词：气体传感器，模数转换，单片机 the design and implementation of alcohol concentration tester measurement and control technology and instruments major wang chengkunabstract： the test object in this thesis is the gas concentration of alcohol in the air. firstly， the gas concentration of alcohol in the air is conv

4、erted to electrical signal through the gas sensor mq-j1 . secondly, the integrated chip lm3914 and light emitting diodes are used to achieve simple instruction for the concentration. based on this, the microcontroller stc12c5a60s2 and nixie tubes are used to show the accurate values of its concentra

5、tion. the design can meet the most needs of the measurements in the production and life.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典可翻译 50 多种语言· · dti· wie gehts?· · escargots· haydi gidelim· · hello· · · rouge· mijn vriend· · nazdar!· buongiorno princi

6、pessa!· hjelp!· es ist sehr interessant!· · vær så snill· wie heißen sie?· · pardon ?· hoje está ensolarado· ¿cómo estás?· je ne sais pas !· · wie bitte?· s t· miracoloso· ich bin vierzig ja

7、hre alt· .· la voiture· je parle un petit peu français.· · · ! key words : gas sensor, a/d conversion, mcu30目录1绪论11.1 引言11.2 气敏传感器的研究现状11.3 设计酒精浓度探测仪的意义21.4 本文主要研究工作22 硬件电路设计与实现32.1 单片机开发流程32.2 硬件系统框图42.3 信号采集电路52.4 信号转换电路72.5 发光二极管显示电路132.6 数码管显示电路152.7 系统整体电路图173

8、 软件编程193.1 开发环境193.2 程序流程193.3 程序编写194 电路调试与测试结果224.1 电路调试224.2 浓度与显示之间的关系235 结束语24致 谢26附 录271绪论1.1 引言我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。我国传感器4大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立

9、新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点1。 由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。目前，气敏传感器领域还存在一些问题。一是元件的稳定性差。由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。二是选择性差。由于在

10、检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体(如烟酒等)，使气敏元件发生交叉响应，产生误报。三是催化剂中毒。掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。灵敏度问题。四是sno2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求2。1.2 气敏传感器的研究现状气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以sno2材料为主3。sno2是一种广普型的气敏材料，围绕sn

11、o2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。纯sno2的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。为改善其气敏特性，常在sno2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。尽管sno2基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。通过控制气敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善sno2传感器的气敏性能4。纳米科学技术(nanost)是研究尺寸在0.1100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而

12、且为传感器制作提供了许多新型方法。纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。当然，在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟，其性能也有不尽人意的地方5。气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。吸油烟机等产品上常用mq-j1型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝，管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有sno2材料，使sno2烧结体位于两电极之间6。气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时，气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体

13、浓度的变化变化。当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作7。1.3 设计酒精浓度探测仪的意义本设计基于stc12c5a60s2单片机设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。酒后驾车发生事故的机率高达27%。随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5增至1，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5，可能性再增加6倍。机动车驾驶人员“酒后驾车” 及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故, 严重危害了道路

14、交通安全和人民生命财产安全。人饮酒后, 酒精通过消化系统被人体吸收, 经过血液循环, 约有90%的酒精通过肺部呼气排出, 因此测量呼气中的酒精含量, 就可判断其醉酒程度。开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定

15、值时，发出警报，提醒人们及时通风换气，做到安全生产。1.4 本文主要研究工作本文以stc12c5a60s2单片机为核心，设计了用于测量酒精浓度的探测仪，主要研究工作包括以下3个方面。（1）硬件电路方面，对气体传感器mq-j1根据检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定mq-j1所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；采样到的模拟电压电信号通过a/d转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理；发光二极管报警显示和4个单位8段共阴数码管浓度值显示。（2）软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精

16、浓度值。通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。（3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。针对这3个主要问题提出以下解决方案和验证方法。测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可以在一定程度上消除流动空气的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。水蒸气对mq-j1的影响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度

17、的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定后再测量。再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。2 硬件电路设计与实现2.1 单片机开发流程（1）可行性调研。可行性调研的目的，是分析完成这个项目的可能性。进行这方面的工作，可参考国内外有关资料，看是否有人进行过类似的工作。如果有，则可分析他人是如何进行这方面工作的，有什么有点和缺点，有什么值得借鉴的；如果没有，则需要作进一步的调研，此时的重点应放在能否实现这个环节，首先从理论上进行分析，探讨实现的可能性，所需求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，再决定能否立项的问题。（2）系统总体方案的设计。在进行可行性调研后，如果可以立

18、项，下一步工作就是系统总体方案的设计。工作的重点应放在该项目的技术难度上，此时可参考这一方面更详细、更具体的资料，根据系统的不同部分和要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，提出合理而可行的技术指标，编写出设计任务书，从而完成系统总体方案设计。（3）设计方案细化，确定软硬件功能。一旦总体方案确定下来，下一步的工作就是将该项目细化，即需明确哪些部分用硬件来完成，哪些部分用软件来完成。由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成；但也应考虑软件代硬件的实质是以降低系统的实时性、增加处理进行为代

19、价的，而且软件设计费用、研制周期也将增加，因此系统的软硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况而合理安排，统一考虑。在确定软硬件功能的基础上，设计者的工作就开始涉及到具体的问题，如仪器的体积及与具体技术指标相对应的硬件实现方案，软件的总体规划等。在确定人员分工、安排工作进度、规定接口参数后，就比须考虑硬件软件的具体问题了。（4）一个单片机应用系统经过调研、总体设计、硬件软件设计、制版、元件安装后，在系统的程序存储器中放入编制好的应用程序，系统即可运行。但一次性成功的几乎是不是不可能的。由于单片机在执行程序时人工是无法控制的，为了能够调试程序，检查硬件、软件运行情况，这就需要借助某种开发工具模拟用

20、户实际的单片机，并且能随时观察运行的中间过程而不改变运行中有的数据性能和结果，从而进行模拟现场的真实调试。2.2 硬件系统框图基于stc12c5a60s2单片机用mq-j1型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过mq-j1气体传感器和负载电压得到分压电信号。信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用发光二极管显示。根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图2.1所示。酒精气敏传感器lm3914发光二极管

21、单片机数码管图2.1 系统总框图2.3 信号采集电路气体传感器的选择根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类:（1）可燃性气体气敏传感器。目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。（2）co和h2气敏传感器。co气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等co泄露和不完全燃烧检测报警；h2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道煤气泄露报警。由于我国管道煤气

22、中h2含量很高，而氢敏元件较氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄露报警更为适宜。（3）毒性气体传感器。毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，虽然sno2气敏传感器对co，h2s等有毒有害气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。 传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的性质进行的分类，也有根据元件的物理特性进行分类的。一个新型的气体检测系统应该包括：（1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。（4）在一些应用中，与其它安全系统

23、和仪器的接口。本设计中的酒精气体传感器采用mq-j1型,它属于mq系列气敏元件的一种。如图2.2所示：图2.2 mq-j1特点:检测范围为10ppm2000ppm ；灵敏度高，输出信号为伏特级；响应速度快，小于10秒；功耗小于0.75w，尺寸：d17*h10。 mq-j1型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的n型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。检测电路如图2.3所示，当电源开关s断开时，传感器加热电流为零，实测a，b之间电阻大于20m。s接通，则

24、f，f之间电流由开始时155ma降至153ma而稳定。加热开始几秒钟后a，b之间电阻迅速下降至10k以下，然后又逐渐上升至120k以上后并保持着。此时如果将酒精溶液样品靠近mq-j1传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于120k降至10k以下。移开小瓶过1分钟左右后，a，b之间电阻恢复至大于120k。这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。经实验的反复检测，mq-j1传感器可以正常工作使用，对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，响应时间和恢复时间都正常，可以开始作信号采样模块电路的设计。图2.3 mq-j1检测电路信号采样电路信号的采样模块电路如图2.4所示。mq-j1

25、的加热电阻两端即h引脚接至+5v直流稳压电源，用于电阻丝对敏感体电阻的加热。mq-j1的两个a引脚相连，作为敏感体电阻的一个电极。mq-j1的两个b引脚也连接在一起，作为敏感体电阻的另一个电极。将电极断a接到电源正极，电极端b接两个270并联的电阻。mq-j1型气敏传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。mq-j1型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物sno2的n型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电位

26、器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。在采样硬件电路中实际要考虑到mq-j1的实际技术参数，即加热电阻和敏感体电阻的大小，该部分应与电源正极相连。负载电阻要根据mq-j1实际的技术参数而选择阻值合适的电阻。应为实验所用的mq-j1在预热5到10分钟后，它的敏感体电阻只有120k，所以负载电阻选用一个6.8k串联，构成采样部分的分压电阻。图2.4 采样模块2.4 信号转换电路单片微机是单片微型计算机的译名简称，在国内也常称为“单片微机”或“单片机”。它包括中央处理器cpu，随机存储器ram，只读存储器rom，中断

27、系统，定时器/计数器，串行口和i/o口等等。现在，单片微机已不仅指单片计算机，还包括微计算机，微处理器，微控制器和嵌入式控制器，单片微机已是它们的俗称8。根据实际需要，本次设计选用的是以8051为核心单元atmel公司的低耗stc12c5a60s2单片机。stc12c5a60s2芯片有40条引脚，采用双列直插式封装，如图2.5所示。 单片机最小系统的设计包括电源，晶振和复位电路三个部分。这是使单片机正常工作的必要外围电路部分。针对不同型号的单片机在最小系统设计上会有一些差别。对于选用的stc12c5a60s2单片机，根据美国atmel公司提供的技术资料，可以对它的最小系统作恰当的设计，如图6所

28、示9。对于电源部分，技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是4.05.5v。因此，单片机的引脚40对应的vcc接到+5v电源的正极，引脚10对应的gnd接到+5v电源的接地端，为stc12c5a60s2单片机提供正常的工作电压。关于晶振电路:如果外部时钟频率在33mhz以上时,建议直接使用外部有源晶振;如果使用内部r/c振荡器时钟(室温情况下5v单片机为:11mhz17mhz,3v单片机为8mhz12mhz),xtal1和xtal2脚浮空.如果外部时钟频率在27mhz以上时,使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体，否则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就只有标称频率的

29、1/3了，或直接使用外部有源晶振,时钟从xtal1脚输入,xtal2脚必须浮空.图2.5 stc12c5a60s2芯片管脚 对于复位电路部分，stc12c5a60s2技术资料给出:关于复位电路：时钟频率低于12mhz时,可以不用c1,r1接1k电阻到地,如图2.6所示。时钟频率高于12mhz时,建议使用第二复位功能脚(stc12c5a60s2系列在rst2/ex_lvd/p4.6口stc12c5201ad系列在rst2/ex_lvd/p1.2口) 当时钟频率小于12mhz时，建议用第二复位功能脚，可以不用c1,r1接1k电阻到地，此时的最小系统电路如图2.7所示。图2.6 时钟频率低于12mh

30、z时的最小电路图由于stc12c5a60s2中，数模转换电路集成与芯片内部，我们就以adc0809为例，对数模转换原理进行分析：adc0809是cmos单片型逐次逼近式a/d转换器，内部结构如图8所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型a/d转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，adc0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与ttl兼容。 adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图9所示。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。ad

31、da、addb、addc 3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。如表1所示。图2.7 stc12c5a60s2单片机最小系统设计电路图2.8 adc0809内部结构图2.9 adc0809芯片ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start：a/d转换启动信号，输入，高电平有效。 eoc：a/d转换结束信号，输出，当a/d转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当a/d转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：

32、基准电压。 vcc：电源，单一+5v。 gnd：地。 adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。当检测到酒精气味时，气体传感器的a-b间电阻变小，则adc0809的模拟输入端in0的电压变大。采用查询方式对输入模拟信号进行a/d转换，

33、然后将数据通过三位八段数码管显示。表1 adc0809通道地址addc addb adda选通通道0 0 0in00 0 1in10 1 0in20 1 1in31 0 0in41 0 1in51 1 0in61 1 1in7adc0809芯片内部没有时钟脉冲源，可以用单片机提供的地址锁存控制输入信号ale经d触发器二分频后，作为 adc0809的时钟输入。ale端信号的频率是单片机时钟频率的1/6。单片机的时钟频率是11.0952mhz，则ale端输出信号的频率为1.8492mhz，再二分频后为0.9246hz，符合adc0809对时钟频率的要求。由于adc0809具有三态输出数据琐存器，其

34、8位数据输出端可以直接与数据总线相连。地址选通端adda，addb，addc分别与单片机地址总线的低三位a0，a1，a2相连，用于选通in0-in7中的某一通道。由于ale和start连在一起，adc0809在锁存通道地址的同时启动a/d转换。在读取a/d转换结果时，oe产生的正脉冲信号用于打开三态输出锁存器。adc0809的eoc信号与单片机的p3.3相连，作为a/d转换是否结束的状态信号供单片机查询。由于stc12c5a60s2在proteuse中，无法仿真，我们就用adc0809和89c51进行电路仿真。adc0809与89c51单片机的接口电路如图2.10所示11。图2.10 adc0

35、809与单片机89c51接口电路2.5 发光二极管显示电路发光二极管集成驱动芯片lm3914的管脚图如图2.11所示。其内部的缓冲放大器最大限度的提高了该集成电路的输入电阻（5脚），电压输入信号经过缓冲器（增益为零）同时送到10个电压比较器的异相（-）输入端。10个电压比较器的同相输入（+）端分别接到10个等值电阻（1k）串联回路的10个分压端。因为与串联回路相接的内部参考电压为1.2v，所以相邻分压端之间的电压差为1.2v/10=0.12v。为了驱动led1发光，集成电路lm3914的1脚输出应该为低电平，因此要求电压比较器异相（-）端的输入电压应大于0.12v。同理，要使led2发光，异相

36、端输入电压应大于0.12*2=0.24v；要使led10发光，异相端输入电压应大于0.12*10=1.2v。lm3914的9脚为点，条方式选择端，当9脚与11脚相接为点状显示；当9脚与3脚相接，则为条状显示。本系统采用条状显示方式，即将引脚9和引脚3都接到电源的正极。图2.11 lm3914管脚图如图2.12所示，lm3914的3和9引脚接电源正极，使发光二极管成柱状显示，7和8引脚接一个2k的电阻，控制发光二极管的亮度，5引脚为采样信号的输入端，10到18引脚和1引脚分别接发光二极管的负极端，4和2引脚与发光二极管的正极间接一个10f的电容，作为发光二极管的虚电源，驱动要反光的二极管点亮。当

37、检测到酒精气味时，气敏传感器的a-b间电阻变小，lm3914的5端电位升高，通过比较放大，驱动发光二极管依次发光，从而区分出酒精含量的高低，直观的看出所测的酒精浓度达到了哪个水平值，起到报警的作用。输入灵敏度可以通过负载电阻的调节来实现，即对地电阻调小时灵敏度下降；反之，灵敏度增加。改变7脚与8脚之间电阻的阻值可以调节发光二极管的显示亮度，当阻值增加亮度减弱，反之加强。图2.12 发光二极管显示2.6 数码管显示电路发光二极管一般是砷化镓半导体二极管，在发放光二极管两端加上正向电压，则发光二极管发光。数码管是由若干发光二极管组合而成的，有共阴极和共阳极两种结构形。8段共阴数码管由abcdefg

38、、dg这8个发光二极管组成。把8个发光二极管的阴极连接在一起构成共阴极端，接进电路时，共阴极端接地，给要发光显示的二极管的阳极端接高电平可使该发光二极管导通点亮。如图2.13所示。设计选用3个单位8段共阴数码管来显示输出的数据； led显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用cpu时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。图2.13 8段共阴数码管结构图动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控

39、制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。根据对数码管显示方式特点分析可知，静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就可以驱动数码管显示数据，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新的数据就可以了。静态显示数据稳定，占用cpu时间少。动态显示需要时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的cpu时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数

40、据稳定，占用很少的cpu 时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的cpu时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。通过对比静态显示和动态显示的优缺点后，该设计选用的显示方式为动态显示，电路如图2.14所示:图2.14 数码管显示电路2.7 系统整体电路图信号采样模块电路的输出接到发光二极管显示lm3914的输入端，同时也将采样信号输出端接至a/d转换芯片的输入端，再加上单片机最小系统电路、单片机与模数转换芯片的连接和单片机与数码管显示的连接，即可作出它的整体电路图，如图2.15所示。图2.15 整体电路图图2.16实物图示3 软件编程3.1 开

41、发环境选用的开发平台为keil uvision3单片机开发环境，只需在pc机上安装keil uvision3软件，然后在keil uvision3软件代码编辑器编辑程序代码，经修改，产生代码，形成输入输出口实验十六进制.hex文件。打开keil uvision3，在菜单options选项中选择select device，在弹出的窗口中选择器件stc12c5a60s2，并选byte mode点击ok。初始化器件后，将经过编译生成的.hex十六进制文件下载到单片机。对于8051系列单片机，现有四种语言支持，即汇编、pl/m、c和basic。本设计软件编程部分选用c语言来写程序代码。3.2 程序流程

42、当检测到酒精气味时，气体传感器mq-j1两个电极端a-b间电阻将变小，对应与气体传感器负载电阻的分压将变大。因为模拟输入端in0与负载电阻的一端用导线连在了一起。所以单片机在启动测试模数转换芯片之前要选择通道0，写入模数转换芯片，然后启动对通道in0端输入的采集电压信号作模数转换，等待转换的结束。模数转换结束后，就可以开始读取数据了。单片机通过i/o口与模数转换芯片的数据输出口相连读取转换后的数据。读取后的数据送到数据存储器单元中，经过单片机作相应的处理，即要将该电压值转换为酒精浓度值，然后处理后的数据转换成三位十进制bcd码用数码管显示。程序流程图如图3.1所示。3.3 程序编写系统电源线接

43、通或者系统复位后，程序从主程序入口进入运行。因为在程序中每次对模数转换后读取的数据，需要相应的存储空间，同时对读取的数据作适当处理后也要送到特定的存储空间存储起来，以供后面的数码管显示用。当然，在程序运行的过程当中，还要用到工作寄存器，因为工作寄存器都是临时存储数据，不需要保存作为以后处理要用到的数据，所以工作寄存器的初始化这部分可以省去。于是，对于程序的初始化程序代码可以相应写出13。sfr adc_contr=0xbc; sfr auxr1=0xa2;sfr adc_res=0xbd;sfr adc_resl=0xbe;sfr p1asf=0x9d; 单片机选择a/d通道地址单片机置位并启

44、动a/d转换a/d转换结束数码管显示单片机初始化开始单片机读取数据并作处理图3.1 程序流程图对模拟电压信号的数字转换由单片机stc12c5a60s2控制来完成。模拟电压的输入端接在模数转换的in0通道，然后启动模数转换，模数转换需要一定的时间；最后把转换后得到的数字电压值读取到单片机。模数转换后得到的数字电压量被单片机读取后还要作一定的数据处理，其中包括把电压值转换为与之相对应的酒精浓度值，根据总体设计思路，对电压值都近似作对应区间的线性转换。即首先，单片机要对采集到的数据在哪个区间作个判断跳转，然后再根据该区间的线性关系作转换，得到对应的酒精浓度值。根据酒精浓度与电压的线性映射关系，可以写

45、出该部分的程序代码if(m_data>3200) c=0.11*m_data-22; else if(m_data>2740) c=0.35*m_data-789; else if(m_data>2330) c=0.17*m_data-296; else if(m_data>1730) c=0.11*m_data-156; else if(m_data>1450) c=0.046*m_data-47; else if(m_data>1100) c=0.014*m_data; else c=0; display(c); 从读取到的电压值得到酒精浓度值后，还要把

46、该值转换为3位10进制bcd码，存储到特定的存储单元以供数码管显示数值。数码管显示选用的是动态态显示的方法；表2 七段led字型码显示字符共阴极字型码共阳极字型码03fhc0h106hf9h25bha4h34fhb0h466h99h56dh92h67dh82h707hf8h87fh80h96fh90h 根据程序流程图和各个子程序的编写可以得到整个设计的总程序代码，见附录。4 电路调试与测试结果4.1 电路调试根据各个模块功能的设计和绘制的整体电路图，找到各功能模块的连接点。按照设计的步骤，并对照总电路图，在面包板上连接电路。电路的连接顺序是，先连接好各个模块，在调试检查正确的前提下再把各个模块

47、连接起来。打开keic软件，将写好的调试程序代码在计算机上输入、汇编、修改、产生代码，形成输入输出口实验.hex文件。初始化器件后，将经过编译生成的,hex十六进制文件下载到单片机。电路连接好，并将调试程序代码（注释电压到酒精浓度转换关系代码）烧写到stc12c5a60s2单片机上后，接上+5v电源开始调试。先把气体传感器探头用一个阻值为20k的电阻替代，复位单片机，观察数码管上的显示数据和发光二极管的点亮情况。用万用表测量采样点的电压值，看用万用表测得的电压值与数码管上显示数据是否一致。因为各导线和元器件对电压电流的影响，数码管显示的数据与万用表测得的数据存在一定的偏差，但在可接受的范围内。

48、调节电位器，观察数码管数据显示的变化，同样用万用表测量电压值作比较。测量数据与数码管显示数据基本一致，说明电路数码管显示部分连接正确。然后，再把电位器阻值从0开始逐渐调大，在每过一个0.12v电压后观察相应发光二极管点亮，说明发光二极管显示部分电路连接正确。调试电路其他功能模块正确后，将预热足够长时间能正常工作的气体传感器mq-j1换上原来20k的电阻。准备好若干个不同浓度的酒精气体样品，检测气体传感器是否能正常工作。当把不同浓度的酒精溶液样品靠接气敏传感器时，各自对应一个不同的数据显示，说明整体电路已经完全正确。如图17所示，硬件电路中发光二极管显示和3位数码管显示都正确后，表明所连接的硬件

49、电路已经调试成功。这时候可以配制几个酒精溶液对调试电路作初步测试。图17所示是测量其中一个样品溶液时显示的数值。4.2 浓度与显示之间的关系在系统电路调试正确以后，要作改进工作，使数码管上正确显示所测的酒精气体浓度值。之前显示的是酒精浓度值与电压的对应关系，所以要显示酒精浓度值，需要找到电压与浓度之间的关系，然后才能建立酒精浓度值与显示的映射关系。测量用的酒精溶液是用无水乙醇和纯净水按体积比来配制的，单位ml/ml表示的是1ml酒精溶液中含酒精的体积。准备多个不同浓度的酒精气体样品，从小到大，依次用气敏传感器检测，记录对应的电压值，记录样品的浓度和电压值之间的关系，确定传感器的酒精浓度检测大致

50、范围，然后根据这个范围选择7个合适的浓度值，多次测量电压值，再取平均值作为最后电压值，把6个标准区间范围定下来，如表3所示。表3 样品对应电压值样品浓度c(ml/ml)c1c2c3c40.3753.683.543.603.613.610.3333.193.203.173.223.200.1672.762.742.732.742.740.1002.332.352.342.302.330.0331.741.701.751.731.730.0201.471.421.431.461.450.0100.760.740.760.730.75在酒精气体浓度的每个小区间内，将电压值与数码管显示值之间的关系当作

51、线性处理，即每段小区间对应着一个线性映射关系，如表4所示。在要作不同线性转换电压区间范围和对应的线性转换关系确定好了以后，根据表4所对应的关系，修改数据处理程序部分，建立酒精浓度和电压之间的关系。使最终显示的数据为酒精浓度值。根据编写的数据处理程序，数码管最终显示的是酒精浓度值小数部分的前3位数字。这样，一个完整的基于stc12c5a60s2单片机酒精浓度探测仪就设计出来了。表4 浓度与电压线性映射关系电压值区间(v)浓度转换关系3.613.20c=0.11*v-0.0223.202.74c=0.35*v-0.7892.742.33c=0.17*v-0.2962.331.73c=0.11*v-

52、0.1561.731.45c=0.046*v-0.0471.450.75c=0.014*v 5 结束语mq-j1传感器属于金属半导体电阻式传感器，灵敏度高，响应速度快，可重复性使用。当传感器的敏感部分吸附有酒精分子时，表面的导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测酒精气体浓度的不同而发生相应的变化，且这种变化是可逆的，可重复使用。mq-j1接上一定阻值的负载电阻，即可构成对酒精气体浓度的检测部分。负载电阻的分压值即对应着一个酒精气体的浓度值，只需对该分压值采样，就可得到要测酒精气体浓度值的信号。将该信号通过a/d转换，将模拟信号转化为数字信号。转换后的数字信号由单片机作相应的数据处理

53、，得到bcd码并将其送数码管显示。在发光二极管显示报警模块中，将采集信号输入二极管集成功率放大器，对该采集信号放大后驱动相应的发光二极管点亮，起到指示的作用。半导体气敏传感器和电化学固体电解质气敏传感器具有测量精度高、所需试样少、响应快等特点，广泛应用于化工、建筑、环保、医疗、家电、安全保卫等领域。随着纳米技术、薄膜技术等新材料研制成功，微机械与微电子技术、计算机技术等的综合应用，高性能的气敏传感器将会不断出现。参考文献1 司士辉生物传感器m化学工业出版社，20032 吴桂秀传感器应用制作入门m浙江科学技术出版社，20043 彭军传感器与检测技术m西安电子科技大学出版社，20034 陈杰，黄鸿传感器与检测技术m北京：高等教育出版社，20035 吴桂秀传感器应用制作入门m浙江科学技术出版社，20046 张锡富传感器m北京：机械工业出版社，20027 郁有文传感器原理及工程应用m西安：西安电子科技大学出版社，20038 楼然苗，李光飞51系列单片机设计实例m北京航空航天大学出版社，20039 朱定华，戴汝平单片微机原理与应用m清华大学出版社，200310 胡乾斌