酒精测量仪毕业论文

酒精浓度探测仪

一、课题的背景与意义

从18世纪产业革命以来,到20世纪信息技术的快速发展,传感技术逐渐走向成熟,在现实生产生活中的应用也渐渐在普及。传感器应用广泛,在各个领域都有着举足轻重的作用,所以传感器不断向高精度,高可靠性,微型化,微功耗无源化与智能化数字化发展,以便更好的服务于我们的生产与生活。

气体与人类的日常生活密切相关,检测气体就是保护与改善我们居住环境的必要工作,要检测气体就少不了用到气体传感器。本设计基于AT89S51单片机设计的酒精浓度探测仪,可用来检测酒精气体浓度,最主要的用途就是检测司机的酒精含量。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,从而判断该司机就是否酒后驾车,避免事故的发生。当然,最好的办法就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。

酒精浓度探测仪在生产中也有重要的应用,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值时要及时通风换气,做到安全生产。当然,依照同样的原理也可设计检测其她气体的探测仪,与我们的生活息息相关的就是检测有毒气体。

传感头就是酒精浓度探测仪中感受酒精的重要部分。目前,所设计的该类传感器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。本设计所选用的MQ-3气敏传感器的敏感部分就是由二氧化锡的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。也有选择以其她氧化物为基本材料制成的传感器,如选二氧化钛作为气体传感材料。虽然目前的二氧化钛薄膜有电阻值高,工作温度高,敏感性差的缺点,但就是二氧化钛薄膜具有良好的电学性能,优异的光学性能,化学稳定性高,机械强度高,且可用于多种气体的检测。单片机在整个传感器中起操作与相应数据处理并送显示的作用,就是传感器的核心部分。

目前,气敏传感器已有较高的精度,可达万分之一以上。随着新材料发展与新加工技术的提高,有了高可靠性与低功耗的气体传感器。智能化数字化的气体传感器克服了目前气敏传感器人工测试带来的效率低,误差大与操作人员长时间工作等问题。

二、系统设计

1、设计方案

由酒精浓度测试仪对待测气体(液体)进行检测,气体传感器就是将一种气体体积分时转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器的对气体样品进行处理,通常包括滤除杂质与干燥气体、干燥或制冷处理,样品抽吸,甚至对样品进行化学处理,以便化学传感器进行更快的测量。转换成输出电压信号。然后以单片机为核心的控制:定时进行各个功能模块的自诊断,并对外界的异常情况做出快速处理。对无法解决的问题,应及时切换到后背装置或报警。具有完善的输入输出通道与实时控制能力:对生产过程进行检测与控制,有多种信号需要传送,因此要求系统配备完善的模拟量与数字量输入输出通道与完善的中断系统与处理功能。信号采集处理、声光报警电路以及显示、键盘、PC接口电路。测试仪进行气体检测的基本步骤就是单片机采集酒精传感器的响应信号,并且进行转换,模数转换就就是用于快速,高精度的对输入信号采样编码,然后转化成数字量储存在数据储存器中,然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别,同时与所设值进行对比,超出则报警同时显示浓度数值,没超出只显示浓度数。并且将结果输出到LCD显示屏幕上。

2、元器件选择

1)单片机的选择

本系统采用单片机为控制核心。我们选择单片机STC89C51为控制核心;主要基于考虑STC89C51就是无法解密低功耗,超低价高速,高可靠强抗静电,强抗干扰,功能强大的单片机。

STC89C51有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,片内振荡器及时钟电路, 89C5X可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。同时STC89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其她所有部件工作直到下一个硬件复位。其将通用的微处理器与Flash存储器结合在一起,特别就是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发本。STC单片机有PDIP、PQFP/TQFP 及PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。

STC89C51单片机单片机引脚功能如图

图1

•Vcc:电源电压

•GND:地

STC89C51就是的低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8K bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)与256K bytes的随机存取数据存储器,器件采用高密度,非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8051产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器与FLASH存储单元,功能强大,STC89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[3]。

主要性能参数:

•8K字节可重擦写FLASH闪存存储器

•1000次写/擦循环

•时钟频率:0Hz—24MHz

•三级加密存储器

•256字节内部RAM

•32个可编程I/O口线

•3个16位定时/计数器

•6个中断源

•可编程串行UART通道

•低功耗的空闲与掉电模式

•片内振荡器与时钟电路

2)传感器

气体传感器就是气体检测系统的核心,通常安装在探测头内。从本质上讲,气体传感器就是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理,通常包括滤除杂质与干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸,甚至对样品进行化学处理,以便化学传感器进行更快速地测量[2]。在选择传感器的时候,一定要考虑到稳定性、灵敏度、选择性与抗腐蚀性,本系统选择MQ3 型酒精传感器。MQ3 酒精传感器就是气敏传感器,其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命与可靠的稳定性[4]。

MQ3 型气敏传感器由微型Al2O3、陶瓷管与SnO2 敏感层、测量电极与加热器构成的敏感元件固定在塑料或者不锈钢的腔体内,加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成:其一为加热回路;其二为信号输出回路,它可以准确反映传感器表面电阻的变化。传感器表面电阻RS 的变化,就是通过与其串联的负载电阻RL 上的有效电压信号VRL 输出面获得的[6]。二者之间的关系表述为:RS/RL=(VC－VRL)/VRL,其中VC 为回路电压,10V。负载电阻RL 可调为0、5～200K,加热电压Uh 为5V。上述这些参数使得传感器输出电压为0～5V。MQ3 型气敏传感器的结构与外形如图所示,标准回路如图所示。为了使测量的精度达到最高,误差最小,需要找到合适的温度,一般在测量前需要将传感器预热20s。

MQ3 标准回路如图

图2

3)数模转换器

实现A/D转换的基本方法很多,有计数法、逐次逼近法、双斜积分法与并行转换法。由于逐次逼近式A/D转换具有速度,分辨率高等优点,而且采用这种方法的ADC芯片成本低,所以我们采用逐次逼近式A/D转换器。逐次逼近型ADC包括1个比较器、一个模数转换器、1个逐次逼近寄存器(SAR)与1个逻辑控制单元[5]。逐次逼近型就是将采样信号与已知电压不断进行比较,一个时钟周期完成1位转换,依次类推,转换完成后,输出二进制数。这类型ADC 的分辨率与采样速率就是相互牵制的。优点就是分辨率低于12位时,价格较低,采样速率也很好。

ADC0832模数转换器具有8位分辨率、双通道A/D转换、输入输出电平与TTL/CMOS相