基于单片机汽车醉酒禁驾系统设计

1、摘 要随着科技的进步，智能产品在社会生产和人们生活等方面扮演着越来越重要的角色,在我们的日常生活中智能产品已经随处可见。本文以 STC89C52 单片机和酒精传感器MQ-3 为核心部分，设计制造一种基于单片机的汽车醉酒禁驾系统。该系统在酒精浓度超标的环境下可以自动控制汽车禁止启动，为减少酒后驾车造成的交通事故提供了帮助。同时该系统还具有声光报警、LCD 显示的功能。并且该系统可以使用在不同的监控环境下，可根据不同的环境设置不同的阈值，超过阈值即进行声光报警，并自动禁止启动汽车。该设计方案的优点是硬件电路设计简单，软件功能采用 C 语言编程，方便灵活。而设计用的酒精传感器具有灵敏度高、工作性能好

2、、低功耗、低成本等优点。该系统不仅可以运用在交通检测中，还可以使用在酒厂和食品工厂发酵监控等场所。关键词：醉酒禁驾；STC89C52 单片机；酒精传感器；阈值AbstractWith the progress of science and technology, intelligent products in social production and people life, playing an increasingly important role in our daily life, intelligent products has been everywhere. This pape

3、r takes the STC89C52 single chip and alcohol sensor MQ -3 as the core part, the design and manufacture of a drunken driving ban of car based on single chip system. The system in the alcohol concentrations exceed the standard environment can automatically control the motor start-up prohibited, as in

4、reducing drunk driving traffic accidents caused by the offers of help. At the same time, the system also has a sound and light alarm, LCD display function. And the system can be used in different monitoring environment, according to different environmental settings of different thresholds, exceeds a

5、 threshold that sound and light alarm, and automatically banned and start the car. The design scheme has the advantages of simple hardware circuit design, software function is the use of C language programming, convenient and flexible. Design and use of alcohol sensor has high sensitivity, good work

6、ing performance, low power consumption, low cost and other advantages. The system not only can be used in traffic detection, may also use in the winery and food plant fermentation monitoring etc.Key words: A drunken driving ban; STC89C52 single-chip microcomputer; Alcohol sensors; Threshold valueI目

7、录第第 1 章章 概述概述.11.1 选题的依据和课题的意义.11.2 选题的目的.11.3 国内外研究概况.21.4 课题研究方法.31.5 设计构成及研究内容.3第第 2 章章 系统的工作原理与结构系统的工作原理与结构.42.1 系统的工作原理.42.2 系统的结构框图.42.3 系统的整体结构特点.52.4 系统的设计内容.62.5 本章小结.6第第 3 章章 汽车醉酒禁驾系统的硬件设计汽车醉酒禁驾系统的硬件设计.73.1 单片机的选择.73.2 酒精浓度检测的设计.123.3 按键设定阈值及阈值存储电路的设计.163.4 液晶接口电路的设计.173.5 声光报警电路的设计.183.6

8、单片机供电与程序下载电路.193.7 晶振电路的设计.203.8 复位电路的设计.213.9 系统继电器控制电路的设计.213.10 系统完整电路图.223.11 本章小结.23II第第 4 章章 系统的软件实现系统的软件实现.244.1 A/D 转换的软件实现.244.2 阈值设定及显示的软件控制.254.3 整体软件控制流程.264.4 本章小结.28第第 5 章章 系统的调试和实物图系统的调试和实物图.295.1 单片机安装的程序调试.295.2 按键修改酒精阈值程序.295.3 酒精传感器 TTL 输出测试程序.305.4 整体功能调试程序.315.5 系统的硬件调试过程.325.6

9、系统的实物图.335.7 本章小结.33结论结论.34参考文献参考文献.35致致 谢谢.36附附录录.37东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1 章 概述1.1 选题的依据和课题的意义根据 WTO 数据，2003 年全世界人均纯酒精消费量为 6.2L，其中欧洲地区人均纯酒精消费量达 11.9L，美洲地区人均消费量为 8.7L。俄罗斯及其周边的东欧国家酒精消费量最高，其次为欧洲其他国家。在人均国民生产总值低于 7000 美元的低收入国家，酒精消费量与人均国民生产总值有关，人均国民生产总值越高这个国家或者地区的酒精消费量也就越高。随着我国近些年来高速发展的经济水平和居民生活水平，私家车的占有率

10、直线上升，几乎做到每家都有一台或者几台私家车了。但是，随着私家车的普及，带来了交通事故的频频发生，特别是因为酒后驾车所引发的交通事故，给自己和他人的生命财产带来严重的威胁，同时也给国家和社会带来了巨大的经济损失。因此，对于每辆汽车安装智能的醉酒禁驾系统是很重要的，在每次驾驶之前自行检测酒精浓度再决定驾驶员是否可以安全驾驶，这不仅是对自己赋有责任感的表现，也是对国家，对社会赋有责任感的表现。酒后驾车上路的危害一是触觉能力下降。科学研究发现，驾驶员在没有饮酒的情况下行车，发现前方有危险情况，从视觉感知到踩制动器的动作中间的反应时间为 0.75 秒，饮酒后尚能驾车的情况下反应时间要减慢 2 至 3

11、倍，同速行驶下的制动距离也要相应延长，这大大增加了出事的可能性。饮酒后驾车，因酒精麻醉作用，人的手、脚触觉较平时降低，往往无法正常控制油门、刹车及方向盘。二是判断能力和操作能力降低。饮酒后，人对光、声刺激的反应时间延长，从而无法正确判断距离和速度。三是视觉障碍。饮酒后会使视力暂时受损，视像不稳，辨色力下降，因此不能发现和正确领会交通信号、标志和标线。饮酒后视野还会大大减小，视像模糊，眼睛只盯着前方目标，对处于视野边缘的危险隐患难以发现。1.2 选题的目的汽车的普及，虽然给人们带来了很大的出行方便，但随之而来也有很大的伤害，据统计，全球每年死于道路交通事故的人数已超过 120 万 ，其中 95%

12、的事故死亡是由于酒后驾车引起的。为了减少酒后驾车带来的危险，我国采取了严厉东北石油大学本科生毕业设计（论文）2的法律制裁那些酒后驾车的人，可是还是有很多人以身试法造成难以挽救的灾难。为了减少因酒后驾车引发的交通事故，全世界都在研究有效、灵敏的检查酒精浓度仪器。为了检查酒驾，警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪。通过检测驾驶员呼出的气体判断驾驶者是否饮酒，而目前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾驶员是否饮酒，具体酒精浓度含量还得通过血液检测才能测得。从理论上说，要判断是否是酒后驾驶，最简单可行的方法是现场检测驾驶人员呼气中的酒精含量。大量的统计研究结果表明，如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三

13、秒钟以上，这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体，呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量。根据国家质量监督检验检疫局发布的车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验(GB195222004)中规定，该规定指出，饮酒驾车是指车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于 20mg/100ml，小于 80mg/100ml 的驾驶行为。醉酒驾车是指车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100ml 的驾驶行为。为了能精确的测量出驾驶员是否属于酒后驾车，同时为了减少酒后驾车引起的交通事故我设计了本系统。1.3 国内外研究概况受 20 世纪信息技术快速发展的影响，传感技术逐渐走向成熟，在生活生产中得到了广泛

14、的应用。由于传感器在各个领域都有着举足轻重的作用，因此，高精度、高可靠性、微型化、低功耗和智能数字化成了其发展方向。为了检查酒驾，警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪。通过检测驾驶员呼出的气体判断驾驶者是否饮酒，而目前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾驶员是否饮酒，具体酒精浓度含量还得通过血液检测才能测得。后来英国推出一种超级酒精呼吸检测仪，能够根据体温、呼吸频率等情况，当场判断出驾驶员体内的酒精含量。由此可见，高精度、高可靠性、微型化以及低功耗是酒精浓度检测仪今后发展的主流方向。迄今为止，对气体中酒精含量进行检测的设备有燃料电池型、半导体型、红外线型、气体色谱分析型和比色型五种类型，但由于

15、其他检测方法复杂且可操作性低，燃料电池型和半导体型受到大家的广泛关注。燃料电池是当前世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染。酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，是进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点，但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前仅在美国、英国、东北石油大学本科生毕业设计（论文）3德国等少

16、数几个国家能够生产，加上材料成本高，价格昂贵，通常是半导体传感器的几十倍。东北石油大学本科生毕业设计（论文）31.4 课题研究方法（1）文献索引法：利用学校图书馆资料和文献及通过网络查询相关资料对本课题有足够深的了解，为本设计的具体模块电路做好理论准备。（2）调查法：与身边的同学和朋友进行交流，充分考虑本设计实现的功能，尽可能完善该设计的功能。 （3）对比分析法：与目前市场上相关产品进行比较，发现该醉酒禁驾系统存在的不足以及可以优化的部分，加以改进。1.5 设计构成及研究内容该控制系统以 52 内核单片机和气敏酒精传感器为核心，具有声光报警和LCD 显示功能。为了满足不同环境下的检测，可以根据

17、不同的环境设置不同的阈值，超过阈值即进行声光报警，提示危害。软件编程采用的是 C 语言。设计主要包括以下内容：第 1 章：概述了国内外对醉酒驾驶的关注，介绍了选题的背景、意义、目的以及选题的研究方法。第 2 章：介绍基于单片机的汽车醉酒禁驾系统的工作原理和结构。第 3 章：基于单片机的汽车醉酒禁驾系统的硬件设计，给出系统的完整电路图，并介绍该系统应用到的各种器件工作原理和接线图。第 4 章：主要讲述了系统的软件实现部分和系统流程图。第 5 章：介绍系统的软、硬件调试过程，并且给出完整的实物图。 东北石油大学本科生毕业设计（论文）4第 2 章 系统的工作原理与结构2.1 系统的工作原理汽车醉酒禁

18、驾系统是检测驾驶员所处环境中的酒精浓度，在 LCD 显示器上显示出检测的结果数值并且当检测值超过设定阈值时，禁止汽车启动。同时本设计所做的控制系统除具有这个基本功能外，还可通过手动随意设置酒精浓度的阈值，以划定不同环境条件下酒精的安全界限，同时具有声光报警功能。它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、LCD 显示、键盘模块、继电器部分以及声光报警部分组成。汽车醉酒禁驾系统以单片机为核心部件，单片机选择 STC89C52 型号，该芯片为 52 内核 8 位单片机，内部集成了数据传输及转换模块，适用于常用检测电路。该系统还需外接额外的 A/D 转换器。本系统数据的采集由酒精传感器 MQ-32完成，

19、酒精传感器将检测的酒精浓度转换为电信号，然后将电信号传递给单片机， （由于单片机内部具有自己的模数转换器，所以不需要外接单独的模数转化器）经过 ADC0804 模数转换器转换成数字信号，同时单片机对所得到的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过 LCD 显示器显示出来。同时与根据键盘设定的酒精浓度阈值进行比对，如果检测到所处环境中的酒精浓度超过设定的阈值界限，那么单片机将会控制蜂鸣器发出声音报警并且点亮发光二极管以提示危害，同时单片机通过控制继电器的导通来控制汽车的启动与否。2.2 系统的结构框图硬件系统结构框图如下图 2-1 所示：东北石油大学本科生毕业设计（论文）5LCD 显示独立

20、按键单片机酒精传感器A/D 转换声光报警继电器工作图 2-1 系统结构框图系统主要由酒精传感器模块，模数转换器模块，键盘模块，LCD 显示模块，声光报警模块，继电器模块组成，通过单片机把这些模块有序的组合在一起，实现该系统的自动控制过程。本设计使用 STC89C52 单片机为核心元件，该单片机内部无 A/D 转换器，还需外接单独的 A/D 转换器。传感器选择最新型酒精传感器 MQ-3，该传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性，具有快速的响应和恢复特性，长期的寿命和可靠的稳定性，以及简单的驱动电路。 液晶显示器选择为 LCD1602，LCD1602 可显示两行英文字符，且内带 ASCII字

21、符库。独立按键，用于存储酒精阈值浓度。该存储器实现修改酒精阈值浓度的过程，可以使本设计应用在不同环境下。本设计具有声光报警功能，如果传感器检测到的酒精浓度比酒精阈值浓度高，本设计会出现声光报警。本设计控制汽车禁止启动部分选择普通小车进行模拟，当传感器检测到的酒精浓度高于酒精阈值浓度时，本设计通过继电器控制小车开关回路自动断开来实现禁驾功能。2.3 系统的整体结构特点本文设计的汽车醉酒禁驾系统具有如下特点：（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有 LCD 显示、键盘响应电路和继电器电路，无需其他计算机，用户就可与之进行交互工作，完成数据东北石油大学本科生毕业设计（论文）6的采集、存储、

22、计算、分析等过程。（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比、灵敏度高等特点。（3）从便携式的角度出发，系统通过键盘设置酒精浓度的阈值，结合单片机的控制，实现了人机交互操作、界面友好。（4）软件系统采用 C 语言进行编写，在兼顾实时性处理的同时，也方便了对数据的处理。2.4 系统的设计内容（1）主控芯片的选择：在此设计中选择了 C51 系列单片机，熟悉 C51 系列1芯片怎样控制外围硬件电路。（2）酒精浓度检测模块的设计：酒精浓度常用酒精传感器来检测3，了解该传感器的工作原理，制作数据采集模块完成数据的采集。（3）键盘模块的设计：要通过键盘完成设定不同环境中酒精浓度的阈值。（4）声光报警模块的设计

23、：超过设定的阈值直观地给予警示。（5）液晶显示模块的设计：准确显示出检测到的数据。（6）继电器控制启动模块的设计：根据检测到的酒精浓度来实时的控制汽车的启动。（7）各个硬件模块电路衔接。（8）PCB 的布板、元件焊接及功能调试。2.5 本章小结本章说明了基于单片机的汽车醉酒禁驾系统的工作原理和系统的结构。当系统所处的环境中酒精浓度超过设定阈值浓度时，单片机通过控制继电器的导通，实现对汽车禁止启动的控制。并且系统还具有声光报警和 LCD 显示的功能。东北石油大学本科生毕业设计（论文）21第 3 章 汽车醉酒禁驾系统的硬件设计3.1 单片机的选择单片机的选择3.1.1 单片机概述MCS-51 单片

24、机是美国 Intel 公司于 1980 年推出的一款相当成功的产品，该系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品之一，该系列单片机是在一块芯片中集成了 CPU，RAM，ROM，定时器/计时器和多种功能的 I/O 线等一台计算机所需要的基本功能部件。该系列单片机主要包括 8031，8051，8751 和 80C51 等通用产品。MCS-51 单片机中，64K 字节程序存储器的地址空间是统一的。对于内部 ROM 的单片机，在正常运行时，应把 EA 非引脚接高电平,使程序从内部 ROM开始执行。当 PC 值超出内部 ROM 的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。因此外部程序存储器地址空间为 1000H

25、FFFFH。对这类单片机，若把接低EA电平，可用于调试程序，即把药调试的程序放在与内部 ROM 空间重叠的外部程序存储器内，进行调试和修改。8031 单片机无内部程序存储器，地址从0000HFFFFH 都是外部程序存储器空间。因此应始终接低电平，使系统只EA从外部程序存储器中取址。本次设计选用的是 STC89C52 单片机4，STC89C52 单片机是低功耗、高性能的 CMOS8 位微控制器，具有 4K 系统可编程 Flash 存储器。使用宏晶高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统上可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，

26、拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 存储器，使得 STC89C52 单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活，超有效的解决方案。STC89C52 单片机具有以下标准功能：8 字节的 Flash，256 字节的 RAM，32 位的 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，2 个 16 位定时器/计数器，1 个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。除此，STC89C52 单片机内无 AD 转换功能。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，内容被保存，振荡器被冻结。东北石油大学本科生毕业设计（论文

27、）223.1.2 STC89C52 单片机功能介绍在自动化控制领域，单片机(微控制器)是一种重要的控制设备。单片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit） ，常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上52。MCS-51 单片机如图 2-1 所示。如果按功能划分，它由如下部件组成。中央处理器 CPU：8 位，运算和控制功能。内部 RAM：共 256 个 RAM 单元，用户使用前 128 个单元，用于存放可读写数据，后 128 个单元被专用寄存器占用。内部 ROM：4KB 掩膜 ROM，用

28、于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个 16 位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行 I/O 口：4 个 8 位的 I/O 口 P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5 个中断源（外中断 2 个，定时/计数中断 2 个，串行中断 1个） 。时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率 6MHZ 和 12MHZ。振荡器及时序8052CPU串行口定时计数器扩展控制器I/O 口RAMROM中断外部计数器外时钟源控制串行通信并行口 图 3-1 80C52 单片机功能结构框图单片机有一个 8 位的 CPU，与通用的 CPU 基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，

29、只是增加了面向对象的处理能力，不仅可以处理字节数据，还可以进行位变量的处理。例如：位处理、查表、状态检测、中断处理等。数据处理器，片内 128B（52 子系列的为 256B） ，片外最多可扩展 64KB。数据处理器用来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位东北石油大学本科生毕业设计（论文）23等。程序存储器（ROM、EPROM）用来存储程序，片内程序存储器容量不够可进行片外扩展。单片机中断系统具有五个中断源，两级中断优先权，片内有两个16 位定时器计数器，一个全双工串行口，都具有有 4 种工作方式。四个准双向I/O 口有 P0、P1、P2、P3 和特殊功能寄存器

30、SFR6。掌握单片机，首先要了解单片机的引脚。80C51 单片机一般采用双列直插DIP 封装，共 40 个引脚。40 个引脚按功能大致可分为 4 类：电源、时钟、控制和 I/O 引脚4。P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位

31、地址访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，P2口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3 口亦作为 STC12C5A32AD 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。如下表为 P3 口第二功能：地址锁存控制信号（ALE）是访问

32、外部程序存储器时，锁存/ALE PROG低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（）也用作编程输入脉PROG冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1”，ALE 操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。否则 ALE将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。表 3-1 P3 口第二功能

33、引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）东北石油大学本科生毕业设计（论文）24P3.2INT0（非） （外部中断 0）P3.3INT1（非） （外部中断 1）P3.4T0（定时器 0 外部输入）P3.5T1（定时器 1 外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）WRP3.7（外部数据存储器读选通）RD 3.1.3 单片机引脚接口STC89C52 单片机作为控制核心，通过 P0 口来实现液晶显示的功能。单片机的 I/O 口控制图5如下图 3-2 所示：图 3-2 STC89C52 的接口控制图P3.3、P3.4 和 P3.5 用于控制 ADC0804 的工作，P1 口用

34、于连接外部存储芯片ADC0804，P3.6，P3.7 口为外部中断控制口，由它来控制酒精阈值的设定，P1 口的输出为酒精传感器的数字电压信号，可以根据乙醇气体浓度直接输出报警信号，P1 口为酒精传感器的检测电压信号，经 ADC0804 将电压信号转换为对应的数字量传给单片机，P3.0 口为蜂鸣器的控制端，P3.0 口为高于设定阈值时的灯光报警。东北石油大学本科生毕业设计（论文）253.2 酒精浓度检测的设计酒精浓度的准确检测是决定该设计成功与否的关键因素，而酒精的检测依靠酒精传感器来实现信号的采集。在本设计中选用灵敏度高、稳定性好的 MQ-3 气敏传感器，该传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好

35、的选择性，快速的响应和恢复特性，长期的寿命和可靠的稳定性，以及简单的驱动电路。它的工作原理是在确定的环境条件下，环境中的酒精浓度变化将会引起电阻值的变化，且这两种变化存在着线性关系。3.2.1 MQ-3 气敏传感器的外形机构图MQ-3 气敏元件的外形如图 3-3 所示：图 3-3 MQ-3 气敏元件结构外形图在上图中，由微型 AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔管内，加热器为敏感元件提供必要的工作条件10。封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 2 只用于信号提取，4 只用于提供加热电流。东北石油大学本科生毕业设计（论文）263.2.2

36、MQ-3 灵敏度特性曲线图 3-4 MQ-3 气敏元件的灵敏度特性曲线在图 3-4 中给出了 MQ-3 气敏元件的灵敏度曲线，其中：温度 20；相对湿度：65%；氧气浓度：21%； RL：200K；Rs：气敏元件在不同气体、不同浓度时的电阻值；R0：气敏元件在洁净空气中的电阻值。3.2.3 MQ-3 标准工作条件和环境条件为了更好地使用酒精传感器 MQ-3，现将 MQ-3 的标准工作条件和环境条件9进行介绍，分别如表 3-4 和表 3-5 所示：表 3-2 工作条件符号参数名称技术条件备注VC回路电压15VAC or DCVH加热电压5.0V0.2VAC or DCRL负载电阻可调RH加热电阻

37、313室温东北石油大学本科生毕业设计（论文）27PH加热功耗900mW表 3-3 环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-1050Tas储存温度-2070RH相对湿度95%RHO2氧气浓度21%（标准条件）氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于 2%3.2.4 酒精浓度信号的采集详细的酒精浓度采集电路见下图 3-5 所示：图 3-5 酒精浓度采集电路在上图中传感器将环境中的酒精浓度转化电压信号，输出引脚直接输出电压信号模拟量，该模拟量将送到模数转换，通过单片机控制最终得出环境中酒精的含量，同时可以通过对电位器的调节来改变输出的灵敏度。3.2.5 酒精检测的原理当具有 N 型导电性的氧化物暴

38、露在大气中时，会由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量而使其电阻增大。其后如果大气中存在某种特定的还原性气体，它将与吸附的氧气反应,从而使氧化物内的电子数增加，导致氧化物电阻减小。半导体-氧化物传感器就是通过该阻值的变化来分析气体浓度。3.2.6 酒精传感器的外接电路酒精传感器 MQ-3 的外接电路10如图 3-6 所示：东北石油大学本科生毕业设计（论文）28图 3-6 传感器的接口电路酒精传感器 MQ-3 的 1、2、3 引脚接电源高电平，5 引脚接地，4、6 引脚接ADC0804 的 6 引脚，ADC0804 的数据引脚接单片机的 P1 口相连接。酒精传感器检测到的酒精浓度由 6 引脚输入到

39、单片机，在 ADC0804 内部完成 A/D 转换后，经单片机进行数据处理在 LCD 显示器中显示出酒精浓度。3.3 按键设定阈值及阈值存储电路的设计3.3.1 独立按键按键电路为了适应对不同环境中酒精浓度的检测和监控，必须调整该仪器的酒精浓度阈值以符合既定的工作要求。同时为了节省硬件资源的消耗，于是在此通过外部中断的按键操作来改变酒精浓度的不同阈值，独立按键电路见下图 3-7 所示：图 3-7 外部中断按键电路东北石油大学本科生毕业设计（论文）29当按下开关 S2 键时进入报警限设置状态，按下开关 S3 酒精浓度阈值加 1，按下开关 S4 酒精浓度阈值减 1，按下 S5 键确定报警限设置，这

40、样的设计可以满足该系统在不同检测环境中的应用条件，也可按增加了可用本系统检测酒精浓度使用的环境，在未来的社会生活中更具有竞争力。3.3.2 A/D 转换电路模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。对于本系统而言，就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。模数转换采用ADC0804,对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入

41、前增加采样保持电路。ADC0804有20个引脚，其中11-18管脚为数字信号输出端，与单片机P1口相连；cs为片选端，接单片机P3.5口，当cs接低电平时ADC0804开始工作，WR接P3.6口，当WR变为低电平再跳变为高电平后启动A/D转换，RD接单片机P3.7口，当RD由低电平跳变为低电平时，单片机读走 A/D 转换完的数字信号。CLK 为时钟输入信号线, 因 ADC0804 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。INTR 为中断控制信号，接单片机外部中断端口，当A/D 转换完后向单片机发出中断信号，等待读走

42、数字信号，INTR 也空可置不接，因为当启动 A/D 后一段时间后模数转换完后，等待一段时间后单片机也可以读走数字量。图 3-8 ADC0804 存储电路东北石油大学本科生毕业设计（论文）303.4 液晶接口电路的设计LCD 技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成 90 度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种 90 度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转 90 度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD

43、 正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转 90 度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。然而，可以改变 LCD 中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。 酒精浓度的显示采用 1602 液晶6，LCD1602 可显示两行英文字符，且内带A

44、SCII 字符库。LCD1602 模块内部可完成显示扫描，单片机只要向 LCD1602 发送命令和显示内容的 ASCII 码。具体的接口电路见图 3-9 所示：图 3-9 液晶接口电路图控制信号 RS、R/W 和 E 分别由单片机 P3.1、GND、P3.2 口实现，要显示的信息通过 P0 口实现。3.5 声光报警电路的设计当酒精浓度超过所设定标准时，通过控制单片机的 P3.0 口的电平来实现声音警报功能，通过控制单片机 P3.0 口的电平来实现发光报警。其蜂鸣器驱动电路7东北石油大学本科生毕业设计（论文）31见图 3-10 所示：图 3-10 声音报警电路如上图所示，酒精浓度超过设定的阈值时

45、，给单片机的 P3.0 口低电平，则三极管导通，同时蜂鸣器工作，发出声音报警。否则，单片机的 P3.0 口维持在高电平，三极管截止，蜂鸣器不工作。如上图所示，当酒精浓度超过设定的阈值时，单片机使 P3.0 口变为低电平，L2 warn1 发光二极管导通，进行发光报警。否则，单片机的 P3.0 维持高电平，发光二极管不导通。3.6 单片机供电与程序下载电路当程序在 uVision 环境下编写完成，并编译生成.hex 文件后，就可以下载并进行调试了。打开 USB 驱动文件夹下的 PL2303_Prolific_DriverInstaller_v130.exe 安装文件，按提示安装 USB 转串口驱

46、动程序。安装完成后，插入 USB 下载线后，在开始-控制面板-打印机和其他硬件-设备管理器，在“端口”分支下有（Prolific USB-to-Serial Comm Port(COMX)。X 表示串口号，如果没有说明 USB 转串口驱动没有安装，须重新安装。记住括号里的 COM 口号。打开 STC 单片机下载软件文件夹，点击运行 STC_ISP_V481.exe 程序，正确选择 MCU 类型，COM 口（与刚才安装的 COM 号一致） ，最高波特率和最低波特率都选 2400bps 或者 1200bps （下载线内 PL2303 芯片所限，没办法！） ，并打开正确的.hex 数据文件。按下电路

47、板上的电源按纽，保证其有个失电至上电的过程，则窗口显示开始烧录芯片。本设计采用 USB 接口供电，电源电压 5V。同时，USB 接口通过内含PL2303 芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图 3-11 所示：东北石油大学本科生毕业设计（论文）32图 3-11 供电及程序下载电路本设计的供电方式简单方便。USB 线有四个引脚，其中红线接高电平，黑线接地，绿线接单片机的 P3.0 口，白线接单片机的 P3.1 口。当线路接好后，闭合电路板开关按钮，发光二极管 L1 发光。说明电路板正常接通电流。3.7 晶振电路的设计3.7.1 晶振介绍内部晶振一般不够准确，所以有的时候接外部晶振。如

48、果单片机有内部晶振，外部晶振就可以不接了。内部晶振，外部晶振作用都一样，给系统提供时钟。不是特别精确的场合内部晶振足够了。这样成本还低。因为外部晶振稳定，受温度，湿度等环境因素影响比内部振荡器小，精度比较高。而且当设计需要降低功耗时，比如说便携式仪表等，就需要外设晶振，因为内部振荡器不能根据需要停止，而外部晶振可以适时停止，从而进入休眠状态，降低功耗。3.7.2 晶振电路本系统采用的是 11.0592MHZ 的晶振，其电路图16如图 3-12 所示：东北石油大学本科生毕业设计（论文）33图 3-12 晶振电路图XTAL：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器和

49、内部时钟电路的输出端。晶振为 11.0592MHz，比 12MHz 的晶振稳定。定时器时钟 1105920/12=921600，每毫秒 922 个脉冲。3.8 复位电路的设计单片机的复位电路5如图 3-13 示：图 3-13 复位电路图如图所示，本设计的复位电路选择上电自动复位，无需外接开关按钮。当系统上电时，单片机会自动复位一次，消除上次烧录程序时出现的错误，系统从头开始执行本次烧录的程序。东北石油大学本科生毕业设计（论文）343.9 系统继电器控制电路的设计3.9.1 继电器说明单稳态继电器：只有一个稳定状态的一种继电器。当它有规定的输入量(激励量)时改变了其状态，但去除输入量时又恢复到原

50、来状态。在静态是继电器处于稳定状态，当继电器线圈输入超过额定电压的 70%时，继电器触点翻转，当输入量降低到 10%时继电器触点返回到稳定状态。双稳态继电器：有两个稳定状态的一种继电器。它有两个稳定状态，在没有外来触发信号的作用下。继电器始终处于原来的稳定状态。由于它具有两个稳定状态，故称为双稳态继电器。在外加输入触发信号作用下，双稳态继电器从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。 3.9.2 继电器电路图本设计的小车启动控制部分由继电器完成，继电器控制电路14如图 3-14 所示：图 3-14 继电器控制电路图 本设计选择的继电器为 Omnon 公司的 G5V-2-H1 继电器8，该继电器有 1

51、6 引脚，当酒精浓度检测值超过设定阈值时，单片机使 P2.0 引脚变为低电平15，三极管导通，使继电器原来导通的引脚断开，从而控制小车禁止启动。东北石油大学本科生毕业设计（论文）353.10 系统完整电路图本文设计的汽车醉酒禁驾系统采用的传感器是气敏传感器，属于半导体型，该传感器实质是个可变电阻，在它两端加以固定的电压，随着所处环境酒精浓度的变化阻值将进行线性变化，从而将酒精浓度的变化转化为电压的变化。当所处环境酒精浓度高于舍得阈值酒精浓度时，系统可以自动控制汽车禁止启动，同时系统还具有声光报警、LCD 显示和阈值调节功能。本系统选择 STC12C5A32AD型号单片机作为核心元件，该单片机内

52、部包含 10 位 A/D 转换功能，所以无需另外接 A/D 转换器。系统的电路图是用 Protell 99se4 软件绘制，该软件是转业的绘制电路图软件。该电路如图 3-15 所示：图 3-15 系统完整电路图3.11 本章小结本章介绍了醉酒禁驾系统的硬件设计，清晰的给出了任意元件的外围电路同时介绍了各个器件的工作条件，重点介绍了酒精传感器 MQ-3 的工作原理、灵敏度曲线和标准工作条件和环境条件。而且给出了系统完整的电路图。东北石油大学本科生毕业设计（论文）36东北石油大学本科生毕业设计（论文）24第 4 章 系统的软件实现程序设计就是用计算机所能接受的语言把所需解决问题的步骤逐一描述出来，

53、也就是编制计算机的程序，在设计应用系统时，软件的编制是重要环节。软件的质量直接影响整个系统功能的实现。应用程序的设计因系统而异，但程序设计总是有共同特点及其规律的。在编写程序时，采取如下几个步骤：（1）分析问题，明确所要解决问题的要求，将软件分成若干个相对独立的部分。根据功能关系和时序关系，设计出合理的软件总体结构。（2）定程序框图，即根据所选择的计算方法制定框图。（3）合理分配系统资源，包括定时器/计数器、中断、堆栈等。（4）根据程序的流程图和指令系统编写出程序。注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。（5）程序调试。通过编辑软件编辑出的源程序，必须用编译程序汇编后生成目标代码

54、。如果源程序有语法错误，需修改源文件后继续编译，直到无语法错误为止，然后利用目标代码通过仿真器进行程序调试，排除设计和编程中的错误直到成功。（6）程序优化。使各功能程序模块化，子程序化，缩短程序的长度，加快运算速度和节省数据存储空间，减少程序执行的时间。4.1 A/D 转换的软件实现A/D 转换器，即模数转换器，或简称 ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。A/D 转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。A/D 转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。A/D 转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强

55、，转换器的性能也就越好。A/D 转换一般要经过采样、保持、量化及编码 4 个过程。A/D 转换的软件控制流程如图 4-1 所示：东北石油大学本科生毕业设计（论文）25准备延时转换结束？酒精浓度调用数据处理程序数字量输出结束YN图 4-1 A/D 转换流程控制A/D 转换17的启动必须依靠下降沿触发，在 START 置低后延时一段时间(约10ms)后才正式开始转换，过程中的所需输入时钟允许范围为 10KHZ1280KHZ,在本次设计中选用 500KHZ，通过定时器产生,转换完成后得到的数字量即为由酒精传感器检测到环境中的酒精含量而产生的电压值18，调用数据处理程序从而可得到酒精浓度的真实值。4.

56、2 阈值设定及显示的软件控制本设计通过独立按键设置酒精阈值浓度，这样方便检测到的酒精浓度与设定东北石油大学本科生毕业设计（论文）26的阈值浓度进行实时的比较，并且可以通过外部中断来实时的调整酒精阈值浓度。酒精阈值设定及显示的具体软件控制流程如图 4-2 所示：准备是否有按键按下设酒精浓度阈值确定酒精浓度阀值LCD 显示结束YN图 4-2 酒精浓度的阈值设定及 LCD 显示的软件控制流程当系统进行完初始化后，该系统在将检测到的酒精浓度进行 A/D 转换的同时，还在时刻检测有无外部中断的响应，一旦有按键按下，将会根据按键按下的次数选择酒精浓度表中的酒精浓度值，以便与监测到的环境中的酒精浓度进行比较

57、，完成接下来的声光报警功能。4.3 整体软件控制流程该系统软件程序主要使用 C 语言编写，采用了模块化结构程序设计方法，包括主程序、中断程序等。系统在开机或者复位后，首先进行初始化、自检，然后进入中断等待，如果有外部中断存在，改变设定阈值，如果不存在外部中断，东北石油大学本科生毕业设计（论文）27LCD 显示出预先设定出的阈值浓度（酒精浓度阈值设定为 80mg/l） 。A/D 转换，液晶显示三个状态，最终根据所得结果判断是否执行声光报警。本设计的醉酒禁驾系统的软件流程图12见图 4-3 所示：开始系统初始化A/D 转换调用数据处理函数LCD 显示得出酒精浓度值有无按键按下启动设定阈值大于设定阈

58、值？声光报警、继电器工作结束YYNN图 4-3 软件方案总体流程图当系统上电开始时，首先检查有无外部中断，如果有外部中断存在，酒精浓度阈值改变并显示在 LCD1602 液晶屏上，酒精传感器检测周围环境中的酒精浓度，并实时的把检测到的浓度显示在 LCD1602 液晶屏上，同时检测到的酒精浓度与预先设定的阈值浓度比较，如果比阈值浓度大，继电器自动使小车启动回来断开，从而控制汽车不能启动，并且带有声光报警功能。东北石油大学本科生毕业设计（论文）284.4 本章小结本章介绍了系统的软件实现流程，简单介绍了下单片机及 A/D 转换的工作原理和按键部分的设计原理，设定的酒精阈值浓度显示在 LCD1602

59、初始界面上，该系统软件编程使用的是 C 语言，因为本人有一点的 C 语言编程基础，而且它简单，可读性好。最后绘出了系统完整的流程图，把整个过程清晰的展现给读者。东北石油大学本科生毕业设计（论文）29第 5 章 系统的调试和实物图本醉酒禁驾系统的软件功能通过方便灵活、移植性好的 C 语言19编程来实现，采用分模块化程序设计思想，对不同模块分别进行调试后，最后再进行整合调试。当系统的实物图完全接好后，还要进行硬件调试过程。只有系统软件部分和硬件部分全部调试成功，才能宣布该系统调试成功。5.1 单片机安装的程序调试该系统使用的是 STC89C52 型号单片机，该单片机是 52 内核。安装单片机时需要

60、完成单片机的最小系统。只要把单片机的复位电路、晶振电路、高低电平接通成功，再使用 C 语言11编写一段程序烧录进单片机里。让单片机的 I/O 口接一个测试小灯，就可以检测判断单片机的正常工作与否。测试程序如下：程序 5-1：#includesbit led1 = P34;sbit led2 = P35;void main() led1 = 0; led2 = 0; while(1) ;5.2 按键修改酒精阈值程序下面这段程序是用来设置酒精浓度的阈值，系统只要处在工作状态中，不停地扫描按键，一旦检测有按键按下，通过检测按下的次数调用酒精浓度值数组就可知道酒精浓度设在哪个阈值。那么只要阈值在没修改前（系统的阈值设