智能酒精浓度检测仪设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1项目简介.......................................................................................................................1

2系统硬件设计方案.......................................................................................................1

2.1单片机选择............................................................................................................1

2.2显示器选择............................................................................................................2

2.3酒精传感器选择....................................................................................................3

2.4A/D转换芯片选择.................................................................................................5

2.5系统总体格式.........................................................................................................5

3硬件电路设计...............................................................................................................7

3.1LCD1602液晶显示设计........................................................................................7

3.2酒精检测模块MQ-3设计.....................................................................................7

3.3蜂鸣器设计.............................................................................................................8

3.4STC12C5A16AD单片机设计...............................................................................9

3.5ADC0832转换芯片设计......................................................................................11

4产品软件设计.............................................................................................................13

4.1主程序设计...........................................................................................................13

4.2ADC0832转换函数设计......................................................................................14

4.3LCD1602显示函数设计......................................................................................15

5产品使用说明书.........................................................................................................17

5.1产品装配图...........................................................................................................17

5.2使用说明书...........................................................................................................17

附录1元器件清单........................................................................................................18

附录2电路原理图........................................................................................................19

附录3PCB设计图.........................................................................................................20

附录4作品实物图........................................................................................................21

附录5软件程序代码....................................................................................................25

参考资料.........................................................................................................................32

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智能酒精浓度检测仪设计与制作

1项目简介

在当代社会发展过程中，从社交到职场，都离不开酒。同时，伴随着时代

的发展，人们经济水平的提高，越来越多的人成为有车一族。随着酒精对人们

的影响越来越重要，从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及对酒

后驾驶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。自《刑法

修正案(八)》和修改后的《道路交通安全法》正式实施，“醉酒驾驶”正式入刑。

不仅交警部门，而且很多车主都期盼能够有便携仪器方便地测量气体酒精浓度，

为安全驾驶提供保障，有效减少重大交通事故的发生。

本研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度

检测工具。基于气体传感器和单片机，酒精传感器检测空气酒精浓度，在数模

转换期间处理数据，并确定其是否超过酒后驾驶或酒后驾驶的阈值。如果超过，

蜂鸣器LED灯会提示。并通过LCD1602实时显示测得的酒精浓度值。

2系统硬件设计方案

2.1系统设计框图

本设计的酒精浓度测试仪框图如图2-1所示。MQ-3乙醇气体传感器输出信

号经信号调理电路处理，输出随乙醇浓度变化的电压信号，该电压信号送入单

片机系统，经AD转换，与设定的醉酒阈值进行比较，并显示或报警。

MQ-3传感器模块

MQ-3气体传感器

信号调理电路

模拟电压信号

STC12C5A16AD单片机

模/数转换

电压/酒精浓度

转换

醉酒阈值

阈值比较外部EEPROM

酒精浓度显示过阈报警

图2-1酒精浓度测试仪方框图

1

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STC12C5A16AD单片机用作主控制芯片。STC12C5A16AD是宏景科技有限公司

生产的低功耗，高性能8位CMOS微处理器，具有8k在线编程片上闪存。STC12C5A16AD

单片机的核心是MCS-51内核，指令与MCS-51完全兼容，但是随着单片机的升

级，该芯片具有许多与传统51单片机一样的功能。微型计算机没有。例如，该

芯片还具有4KEEPROM存储。当您需要在断电时存储数据时，可以直接使用单片

机的内部存储，而不再需要将其存储在外部存储芯片中。STC12C5A16ADMCU开

发简单，在线编程和下载且成本低廉，因此是一个很好的选择。

2.2显示器选择

显示部分采用SMC1602液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：

表1液晶屏技术指标

接口信号说明如表2所示。

表2液晶屏接口信号说明

与单片机接口电路如图2-2所示。其中J2的3脚为背光引脚，R9和R10

电阻用于调节背光亮度。J2的4、5、6引脚分别接液晶的RS、E/W和E控制引

脚，J2的7—14引脚为数据引脚。

2

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图2-2LCD与单片机接口电路

2.3酒精传感器选择

半导体酒精传感器MQ-3中使用的气敏材料是在清洁空气中具有低电导率的

二氧化锡（SnO2）。当传感器所在的环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率会

随着空气中酒精气体浓度的增加而增加。使用简单的电路，电导率的变化可以

转换为对应于气体浓度的输出信号。MQ-3半导体酒精传感器对酒精具有很高的

灵敏度，可以抵抗汽油，烟气和水蒸气的干扰。该传感器可以检测多种酒精浓

度，并且是适用于多种应用的低成本传感器。

MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人

员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其技术特点为：

对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性

快速的响应恢复特性

长期的寿命和可靠的稳定性

简单的驱动回路

主要技术指标：

3

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MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图2-3所示，其传感原理为气敏电阻的

输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。

4

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图2-3MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线

MQ-3乙醇气体传感器管脚与测试电路如图4所示。

(a)管脚图(b)测试电路

图2-4MQ-3乙醇气体传感器管脚及测试电路

2.4A/D转换芯片选择

MQ-3乙醇气体传感器及其调理电路原理如图，经过调理，检测信号由电阻

值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。

该传感器模块具有如下特点，方便与单片机系统接口组成检测仪器。

具有信号输出指示。

双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）

TTL输出有效信号为低电平。

(当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机)

模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。

2.5系统总体格式

通过以上对每个模块的介绍，我们最终选择了STC12C5A16AD作为本设计的

主控制芯片，通过LCD1602实时显示信息，使用半导体气体传感器MQ-3检测酒

精压力，并通过电路检测MQ。由酒精浓度-3引起的内部电阻变化被转换为电

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压变化并由ADC0832收集。系统可以将收集到的酒精浓度信息与限值进行比较。

如果超出限制，系统将发出相应的警告。该限制可以通过按钮设置并关闭电源。

根据两个A/D设备的基本性能，存储功能相似，但是在此设计中仅使用一个通

道。使用ADC0808有点浪费，因此ADC0832被用作A/D转换设备。

系统方案如图2-6所示

复位电路MQ-3酒精传感器

晶振电路A/D转换电路

STC89C51

主控芯片

蜂鸣器/LED提示

电源电路

电路

LCD1602显示电

独立按键电路

路

图2-6系统框图

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3硬件电路设计

3.1LCD1602液晶显示设计

LCD1602液晶显示屏：单片机系统一般采用字符型液晶显示模块。因LCD显

示面板较为脆弱，厂商已将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和液晶显示器用PCB

连接到一起，称为液晶显示模块（LCDModule，LCM）。单片机只需向LCD模块写

入相应命令和数据就可显示需要的内容。工作电压4.5~5.5V，典型5V，工作电

流2mA。16个引脚（有背光）的外形及引脚分布，如图3-1所示。

图3-1LCD1602液晶显示

3.2酒精检测模块MQ-3设计

MQ-3是半导体酒精传感器。当传感器所在的环境中存在酒精蒸汽时，传感

器的电导率会随着空气中酒精气体浓度的增加而增加。使用简单的电路，电导

率的变化可以转换为对应于气体浓度的输出信号。MQ-3半导体酒精传感器对酒

精具有很高的灵敏度，可以抵抗汽油，烟气和水蒸气的干扰。传感器刚上电时，

其输出电压将迅速上升，上升到一定水平后，将缓慢下降到稳定状态。因此，

传感器需要在使用前进行预热。预热时间约为1〜2分钟，以使传感器稳定工作。

传感器的输出电压与被测环境中的酒精浓度具有近视线性关系。没有酒精时，

传感器的输出电压约为1V。当传感器检测到酒精气体时，电压每次都会增加0.1

V。近视测量气体的浓度增加20PPM，即2mg/100ml。

MQ-3酒精检测模块内部电路图如图3-2所示。

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图3-2MQ-3酒精检测模块

3.3蜂鸣器设计

蜂鸣器使用5V电磁有源蜂鸣器。由于蜂鸣器的工作电流通常较大，因此不

能直接驱动单片机的I/O端口，因此必须由三极管开关电路来驱动。此处选择

的8550三极管是PNP型三极管。与基极串联的1K电阻连接到微控制器的I/O

端口时。当I/O端口输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器蜂鸣。当I/O端

口输出高电平时，三极管被切断，并且蜂鸣器停止蜂鸣。蜂鸣器电路如图3-3

所示

图3-3蜂鸣器模块

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3.4STC12C5A16AD单片机设计

STC12C5A16AD是一款低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有4K系统内

可编程Flash存储器。它使用Atmel公司的高密度非易失性存储技术制造，并

且与工业80C51产品说明和引脚完全兼容。片上闪存允许程序存储器在系统中

可编程，并且也适合于常规编程器。STC12C5A16AD在一个具有智能8位CPU和

系统内可编程闪存的单芯片上，被广泛用于许多嵌入式控制应用系统中。

3.4.1STC12C5A16AD单片机最小系统设计

单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之

外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。单片机最小系统电路图：

图3-4STC12C5A16AD最小系统

（1）电源电路：

电源电路是单片机的电源电路，通常为3.3V或5V。有关详细信息，请参阅

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各种类型的单片机的工作电压。通常为5V。这是指正常情况。

（2）时钟电路：

时钟电路是晶体振荡器电路。通常，选择12Mhz晶体振荡器以促进定时器

和计数器功能的使用。AT89C51中有一个高增益反相放大器，它是构成内部振

荡器的主要单元。XTAL2和引脚XTAL1分别是放大器的输出和输入。片外石英

晶体或陶瓷谐振器与放大器一起形成自激振荡器。旁路电容器C1，C2和外部石

英晶体（或陶瓷谐振器）连接到具有反馈功能的放大器，以形成并联反馈振荡

电路。即使对外部旁路电容器C1和C2没有严格要求，电容器容量的大小也会

略微影响振荡器频率的稳定性，振荡频率的幅度，启动振动的难度，温度的程

度稳定性等。除了使用石英晶体外，电容器通常为30pF±10pF，如果使用陶瓷

谐振器，则电容器通常为40pF±10F

图3-5晶振电路

（3）复位电路

不论是在单片机首次连接电源时，还是在操作过程中发生故障时，都需要将

其复位。复位电路用于将单片机内部的每个电路的状态恢复到一定的初始值，

并从该状态开始工作。单片机的复位条件：必须使两个（或更多）机器周期的

高电平连续出现在RST引脚上。单片机的复位形式：上电复位，按钮复位。

图3-6复位电路

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3.5ADC0832转换芯片设计

ADC0832是一个8位分辨率的A/D转换芯片，最大分辨率可达256级，可

以适应一般的模拟转换要求。内部电源输入和参考电压的复用使芯片的模拟电

压输入在0〜5V之间。芯片转换时间仅为32μS，具有双路数据输出可用作数据

校验，减少了数据错误，转换速度快，稳定性强。独立的芯片使能输入使多设

备连接和处理器控制更加方便。通过DI数据输入端子，可以轻松实现通道功

能选择。ADC0832和MCU之间的接口应为4条数据线，即CS，CLK，DO，DI。

但是，由于在通信过程中DO和DI端子同时无效，并且与单片机的接口是双向

的，因此在电路设计过程中，DO和DI可以在数据线上并行使用。电路图如图3-7

所示。

图3-7ADC0832电路图

3.6独立按键设计

按键是比较常用的也是比较简单的人机交互的一种操作方式，该电路也设

置有按键电路，通过几个独立按键进行人机交互。按键通过一点连接单片机的I/

O口一端连接电源地。这样设计是因为单片机的I/O在悬空没有作为输出的情况

下是默认高电平的，在按键没有按下则相当于该I/O处于悬空状态。当按下后I/O

口的电平就会被拉低，这样单片机只需要进行循环的检测I/O口是否有出现低

电平就可以判断是否有按键按下。具体电路图如3-8所示。

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图3-8独立按键电路图

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4产品软件设计

4.1主程序设计

主要函数voidmain（）是程序的入口函数，并且完整的程序必须包含此函

数。在此功能开始时，微控制器和一些需要初始化才能正常使用的外围设备将

被初始化并重新分配一些变量。初始化后，它将进入无限循环。如果未进入

无限循环，则程序将在运行一次后退出。如果添加了无限循环程序，它将继续

循

图4-1主程序流程图

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环以实现实时检测和执行的目的。在主程序的设计中，应注意，不应在主函数

中放置太多代码。特定代码通常由一个函数封装，然后在主函数中调用，因此

也可以轻松读取和修改。具体流程图如下4-1所示。

4.2ADC0832转换函数设计

ADC0832是一个8位分辨率的A/D转换器件，最快的转换速度可以达到

32us。单片机控制ADC0832收集电压。首先，它需要发送一个初始化信号，然

后选择要收集的通道是单通道0，单通道1，双通道0或双通道1。选择通道后，

单片机发送一个信号。下降沿开始读取数据，数据是逐位串行传输，其高位在

前，低位在后，直到收集到八位数据为止，所返回的数据将被返回。具体流程

图如图4-2所示。

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开始

发送初始化信号

选择AD转换通道

判断数据是否

未读取完i<8?

是

拉高数据口ADDI=1;

读取数据口

否

ADDO==1？

是

将数据1存储将数据0存储

temp+=0x01;temp+=0x00;

否

拉低时钟信号线，产

生下降沿ADCLK=0;

数据往左移动一位

temp=temp<<1;

读取位数加一

i++;

返回temp

图4-2ADC0832转换函数流程图

4.3LCD1602显示函数设计

仅需严格按照制造商的时序要求对LCD1602的显示器进行编程，即可完成

显示。LCD602的液晶显示器首先需要通过命令写入要显示的地点的地址，然后

按顺序写入数据。写入地址后显示第一个内容后，该地址将自动增加一个。

函数名称lcd1602_write_character（ucharx，uchary，uchar*p），参数是

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x，y，*s，其中x和y表示LCD屏幕上的位置坐标，而*s是要显示的字符数

组。该软件根据需要显示的位置坐标来计算地址。

开始

判断是否在第1

否

行显示y=1？

是

根据在第几列显示计根据在第几列显示计

算地址Add=0x80+x;算地址Add=0xc0+x;

写入显示地址Add

判断是

否显示未完成

*s！='\0'？

是

写入显示内容

*s

否

显示内容指针加1

s++;

返回

图4-3LCD1602函数设计

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5产品使用说明书

5.1产品装配图

图5-1装配图

5.2使用说明书

（1）检查产品是否有较为明显的损坏痕迹，确保正常后连接5v电源。

（2）打开电源开关；此时LCD1602液晶显示屏被点亮，并显示出倒计

时字样，等待MQ-3酒精检测模块预热。

（3）倒计时结束，MQ-3酒精检测模块预热成功；设置步骤：按下第一

枚按钮进入设置界面，第一项参数为调整酒驾最高值，第二项参数为醉驾最

高值，通过第二、第三按钮调整好两项参数的数值，再按第一枚按钮保存参

数并回到主界面。

（4）让测试者对准MQ-3酒精检测模块吹口气观察LCD1602液晶显示屏

数值变化；未达到酒驾设定最高值不会出现任何反应；达到酒驾值低于醉驾

值LED灯被点亮；达到醉驾值LED灯被点亮，同时蜂鸣器发出警告声。

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（5）按下第四枚重置按钮，LED灯与蜂鸣器被关闭，LCD液晶显示器出

现倒计时字样，等待MQ-3酒精检测模块预热完成再次进行酒精检测。

（6）使用结束后，关闭电源开关再断开电源。

附录1元器件清单

元件型号元件名称元件标号数量

ADC0832AD采集芯片11

蜂鸣器蜂鸣器B11

10uF电容C11

20pF电容C2,C32

D指示灯D11

LCD1602液晶LCD11

9012三极管Q1,Q22

2K电阻R2,R4,R7,R154

10K电阻R31

1K电阻R1,R52

4.7欧电阻R61

SW-PB按键S1,S2,S33

sw-灰色电源开关SW11

U1单片机U11

MQ-3酒精传感器U21

12M晶振Y11

relay继电器K11

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附录2电路原理图

1234

LCD1LCD1602

CD

CN

VG

DC01234567//

VCCNCOSWBBBBBBBBGG

GVVRREDDDDDDDDBB

S2

3489

0123456

12567

DQ21111111D

01234567

9012SWN

R700000000

RREPPPPPPPP

2KS3

R1VCCVCC

1

142K

D3S4

P2

K1发光二极管

2Relay2

1R15

235

VCC

2KU1

VCC140

P1.0VCC

239P00

P1.1P0.0

338P01

P1.2P0.1

继电器437P02

P1.3P0.2

S1C110uF536P03

CP1.4P0.3C

VCC635P04