基于单片机的酒精气体检测系统设计要求

1、1 前 言气体与人类的日常生活密切相关，从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的检测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。现如今，由于人们的安全意思增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高，再加上气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的显示市场和潜在的市场要求。单 片 机 是 一 种 集 成在 电 路 芯 片， 是 采 用 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 把 具 有数据处理能力的中央处理器CPU 随机存储器 RAM 、 只读存储器 ROM、 多种 I/O 口和中断系统、 定时器/计 时器等功能（ 可能还包括显示驱动电路

2、、 脉 宽 调 制 电路、 模 拟 多路转 换 器 、 A /D转 换 器等电 路 ） 集 成 到 一块硅 片 上 构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机 ，是 典型的嵌入式微控制 器（ M icrocontroller Unit）， 常用英文字母的缩写 M CU 表示单片机， 它最早是被用在工业控制 领域。 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。 单片机内部也和 电脑功能类 似的模块 ， 比如 CPU， 内 存， 并行总 线， 还有 和硬盘作 用相同 的 存 储 器 件 ， 不 同 的 是 它 的 这 些 部 件 性 能 都 相 对 我 们 的 家 用 电 脑

3、弱 很 多 ， 不过价钱也是低的， 一般不超过 10 元即可 .用它来做一些控制电器一类 不是很复杂的工作足矣了。在 计 算 机 出 现 以 前， 有 不 少 能工 巧 匠 做 出 了 不 少 精 巧 的 机 械 。 进 入 电 器时代 后 ， 人 们 借 助 电 气 技 术 实 现 了 自 动 控 制 机械 ， 自 动 生产 线 甚 至 自 动 工厂， 并且大大地发展了控制理论。 然而， 在一些大 中型系统中自动化结 果 均 不 理 想 。 只 有 在 计 算 机 出 现 后 ， 人 们 才 见 到 了 希 望 的 曙 光 。 如 今 借 助 计 算 机 逐 渐 实 现 了 人 类 的 梦

4、想 。 但 是 ， 计 算 机 出 现 后 的 相 当 长 的 时 间 里 ， 计 算 机 作 为 科 学 武 器 ， 在 科 学 的 神 圣 殿 堂 里 默 默 地 工 作 ， 而 工 业 现 场 的 测 控领域并没有得到真正的应用。只有在单片机（ M icrocontroller) 出现后，计 算 机 才 真 正 地 从 科 学 的 神 圣 殿 堂 走 入 寻 常 百 姓 家 ， 成 为 广 大 工 程 技 术 人 员 现代 化技术革新 ，技 术革命的有利武器 。目 前 ，单 片机在民用和工业测 控 领域得到最广泛的应用。 彩电， 冰箱， 空调， 录 像机， VCD， 遥 控器， 游戏 机

5、 ， 电 饭 煲 等 无 处 不 见 单 片 机 的 影 子 ， 单 片 机 早 已 深 深 地 溶 入 我 们 每 个 人的生活之中。传 感 器 头 是 酒 精 气 体 浓 度 检 测 中 感 受 酒 精 的 重 要 部 分 。 目 前 ， 所 设 计 的 该 类 多 选 用 以 二 氧 化 锡 为 基 本 材 料 ， 添 加 不 同 物 质 制 成 的 气 敏 传 感 器 。 本 文所选用的 M Q-3 气敏传感器的敏感部分是由二氧化锡的 N 型半 导体微 晶 烧 结 层 构 成 ， 灵 敏 度 高 ， 响 应 速 度 快 ， 可 靠 性 好 ， 也 有 选 用 以 其 他 氧 化 物 为

6、 基 本 材 料 制 成 的 传 感 器 ， 如 二 氧 化 钛 作 为 气 体 传 感 器 材 料 。 虽 然 目 前 的 二 氧 化 钛 薄 膜 有 电 阻 高 、 工 作 温 度 高 、 敏 感 性 差 的 缺 点 ， 但 是 二 氧 化 钛 薄 膜 有 良 好 的 电 学 性 能 、 优 异 的 光 学 性 能 、 化 学 稳 定 性 高 、 机 械 强 度 高 ， 且 可 用 于 多 种 气 体 检 测 。 单 片 机 在 整 个 传 感 器 中 起 操 作 和 相 应 数 据 处 理 兵 显示的作用， 是系统设计的核心部分。 目前， 气 敏传感器已有较高的精度 ， 可 达 万 分

7、之 一 以 上 。 随 着 材 料 发 展 和 新 加 工 技 术 的 提 高 ， 有 了 高 可 靠 性 和 低 功 耗 的 气 体 传 感 器 ， 智 能 化 数 字 化 的 气 体 传 感 器 客 服 了 目 前 气 敏 传 感 器 人工测试带来的效率低， 误差 大和操作人妖长时间工作等问题。传统的气体检测方法是使用一个传感器进行检测，但由于单一传感器存在交 叉敏感的问题，这种方法对混合气体的检测无能为力。因此，本文基于单片机的 特点，从而实现对酒精汽油混合气体中酒精浓度的识别。系统以 AT89C51 单片 机芯片作为控制核心，采用 MQ-3 型酒精气体传感器作为数据采集单元，对混合 气

8、体进行信号采集，经过 A/D 转换将采集的模拟信号数字化，利用单片机对信 号进行处理，通 过 显 示 器 实现数据的显示。最后，利用研制的系统对不同浓度 酒精和汽油的混合气体进行测量，对测试数据利用单片机进行定量识别，实现了 酒精与汽油混合气体中的酒精浓度的识别。基于单片机的酒精浓度检测以单片机和酒精传感器为核心，具有声光报警功能及LED显示功能。根据不同的环境设定不同的阈值，超过阈值即进行声光报警，提示危害。采用汇编语言来实现其软件功能，该系统硬件电路设计简单，软件功能完善、灵敏度高、工作性好，并且具有尺寸小、方便携带的优点。1 - 52酒精气体检测系统的国内外发展现状和方向酒精浓度检测仪主

9、要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、LCD显示、键盘以及声音报警构成。酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给模数转换器，经过模数转换器转换后，把转换得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过显示器显示出来。由于不同的环境对酒精浓度的要求也不一样，所以，可以通过键盘来设定不同环境中酒精浓度的不同阀值，如果所检测到的空气中的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机将会控制蜂鸣器发出声音警报。使用单片机来检测酒精气体有以下优点：（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LED显示以及键盘响应电路，无

10、需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等。（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。（3）键盘控制、液晶显示，使得仪表操作简单，人机交互方便。（4）软件系统采用汇编语言，在兼顾实时性处理的同时也很方便地进行数据处理（5）测量精度高、响应时间快，能检测到ppm级的酒精气体浓度。单片机不同于一般计算机主要是实现高速海量的运算，强调计算机的运行速度，单片机由于受到储存空间的制约只能写入一定大小的特定程序，实现特定的功能。这种方式更适合工业控制领域所强调的是对控制对象的控制方式和控制能力。所以，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的

11、是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想，是控制技术的一次革命。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电

12、器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。单片机广泛应用于各类智能化设备，大致可分如下几个范畴：1.测控系统用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等,达到测量与控制的目的。2.智能仪表用单片机改造原有的测量、控制仪表,促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。3.机电一体化产品单片机与传统的机械产品相结合,使传统机械产品结构简化,控制智能化。4.智能接口在计算机控制系统,特别是在较大型的工业测、控系统中,用单片机进行接口的控制与管理,加之单片机与主机的并行工作,大大提高

13、了系统的运行速度。5.智能民用产品如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中,单片机控制器的引入,不仅使产品的功能大大增强,性能得到提高,而且获得了良好的使用效果。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。在我国推广使用单片机，具有特别重要的意义.它将有助于我国各行各业的技术改造和产品的更新换代.随着具有高速运算与数据处理能力的16位单片机的出现，单片机也开始渗透到数据处理的领域。6 - 1 0当今智能电子密码锁发展已经到了非常高的境界，国外单片机发展现状由于电子元件特别是单片机应用在这几年得到空前发展，无论功能性，

14、稳定性都比较全面，在保密方面已做到人眼识别，指纹识别，单片机开发板人声识别基本上电影上有的现实也有。在国外发展比较早，所以应用也比较广泛，主要在家庭装较贵重地方，银行，保险柜等应用较多，在国内这方面发展也较快，不管自己开发或是引进都有，在重要地方应用也较多，由于价钱比普通弹子锁较贵，早几年应用较少，现在越来越普及到平常化，未来的发展也会越来越被大众采用，由于它的功能、安全是弹子锁无法相比的。发展前境是非常大的。单片机是工业控制领域内最理想的机种，在国外已经得到了广泛应用。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

15、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

16、，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11-153 总结综上所述，基于单片机的酒精气体检测系统，具有体积小、使用方便的特点，采用MQ-3型酒精气体传感器对酒精气体浓度进行检测，并通过单片机对传感器的输出信号进行处理，最终进行显示和报警，达到自动检测的目的。软件部分采用模块化设计，各子程序的功能相对独立，便于实时的调试和修改。4 参 考 文献1张伟.单片机原理及应用M.北京:机械工业出版社,2002.2施文康.检测技术M.北京:机械工业出版社,2002.3赵保经.微电子技术

17、与新技术革命M.国防工业出版社,1985.74谢宜仁.单片机硬件接口电路及实例解析M.电子工业出版社，20095 薛永毅,姜余祥编著.传感器技术及应用M.北京航空航天大学出版社,20056刘崇进,郑大防.气体传感器的发展概况和发展方向J.计算机测量与控制.19997沙占友.智能传感器系统设计与应用M.电子工业出版社,20048刘广玉,陈明,吴志鹤等.新型传感器技术及应用M.北京航空航天大学.20049林志琦.单片机原理接口及应用（c语言版）M.北京：中国水利水电出版社,200710纪宗南.单片机外围器件使用手册输入通道器件分册M.200511程佩青.数字信号处理教程M.清华大学出版社，2007.212赵负图主编.信号采集与处理集成电路手册M.化学工业出版社,200213Sam