传感器大作业.doc

洛阳理工学院

《检测与转换技术》期末大作业

题 目： 酒精测试仪
专 业： 自动化
姓 名： 高志远
学 号： B12041214
日 期： 2014.11.22

随着中国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，中国逐渐步入“汽车社会”酒后驾驶行为所造成事故越来越多，对社会的影响也越来越大，酒精正在成为越来越凶残的“马路杀手”。越来越多的交通事故在我们的身边发生，让人心痛，经济的发展，每个人都希望人的安全意识也该发展。此外，由交通事故造成的经济损失也相当惊人。据事故调查统计，超过半数的车祸与饮酒有关。在全国各地加强查处酒后驾驶的力度，以减少由酒后驾驶造成的恶性交通事故。要查处就涉及到检测人体内的酒精含量和使用设备来进行检测的问题。

本文设计了一种用于公共场所具有检测及超限报警功能的酒精浓度智能测试仪。其设计方案基于89C51单片机，MQ-3酒精浓度传感器。系统将传感器输出信号通过A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由4位LCD数码管显示酒精浓度值。并且根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行自动报警来提示危害。从而让驾车的人知道自己该在什么情况下可以开车，这是一个在现代生活很实用，很负责的一个设计。

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。

酒精测试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他气体的探测仪，与我们的生活息息相关的是检测有毒气体。

1. 方案设计
1.1概述：该设计方案基于89C51单片机，MQ-3酒精浓度传感器。系统将传感器输出信号通过A/D转换电路调理后，经由单片机进行数据处理，最后由4位LCD数码管显示酒精浓度值。并且根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行自动报警来提示危害。

1.2 考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值并且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0804采集数据送入单片机进行处理。酒精浓度监测仪的硬件电路设计主要包括：传感器测量电路、89C51单片机系统、A/D转换电路、自动报警电路、LED数码管显示电路。酒精浓度测试仪总体设计电路框图如图系统总框图如下：
酒精
MQ-3气敏传感器
单片机
蜂鸣器
单片机
数码管

2．工作原理：
2.1传感器的选择：
本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3陶瓷管和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值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，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。负载电阻RL可调为05-200K。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和外形、标准回路、传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图所示。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，一般在测量前需将传感器预热5分钟。
MQ-3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。

MQ-3 结构和外形如下图：

MQ-3 结构图如下：

传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系：

检测电路如图2-4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20MΩ。S接通，则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10KΩ以下，然后又逐渐上升至120KΩ以上后并保持着。此时如果将酒精溶液样品靠近MQ-3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120KΩ降至10KΩ以下。移开 小瓶过1分钟左右后，A，B之间电阻恢复至大于120KΩ。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-3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。

MQ-3检测电路
MQ-3气体传感器的特点：
* 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
灵敏度的调整：
MQ-3 型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。建议用200ppm的乙醇蒸汽校准传感器。
当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。

2.2最小系统的实现：
在本次设计中我们采用89C51来实现一个单片机系统能运行起来的需求最小的系统，电路图见下图：

2.3 数据采集设计：
信号的采样模块电路下图所示。MQ-3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-3的两个A引脚相连，作为敏感体电阻的一个电极。MQ-3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200KΩ电位器并联的电阻。
MQ-3型气敏传感器与电位器并联构成分压电路，采样点为电位器的分压。MQ-3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-3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-3实际的技术参数而选择阻值合适的电阻，应在实验使用前应对MQ-3预热5到10分钟。

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0－5V，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。原理图下图：

2.4 自动报警电路：
自动报警电路采用单片机I/O口外接三极管驱动蜂鸣器，当传感器检测到的酒精浓度达到或超过设定的浓度值时蜂鸣器会自动发出报警信号，如下图所示：

2.5 独立按键电路：利用按键设置酒精浓度阈值，和重新刷新检测程序。

2.6利用动态扫描方式来显示检测值：4位LCD数码管显示电路如下图：

最后附上设计原理图：

总结
本设计是基于单片机的酒精浓度测试仪。电路结构简单，设计合理，体积小，使用方便，且灵敏度、分辨率和抗干扰能力适用于驾驶员自测是否饮酒过量的测量，也可用于酒精浓度监控，适合大众化使用。
MQ-3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-3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，并送到数码管显示出来。在蜂鸣器报警模块中，当检测到的酒精浓度达到或超过设定的浓度值时蜂鸣器会自动发出报警信号。
当然可以对本系统作一定改进，并在此基础上制作酒精检测钥匙。即在车钥匙上设计一个小吹管，由一组信号发射器连接至车上的电子控制组件，如果驾驶者在开门之前所做的酒精吹气测试样本被发现超过法定允许的标准值，则系统将使引擎维持在静止状态无法启动。当驾驶者按下遥控器上的开门按钮，酒精探测仪也随之启动，然后驾驶者对着小管口吹气，酒精浓度会经由感应器上的小绿灯或小红灯显示出来。当显示绿灯时，钥匙将传送允许信号至车辆的电子控制系统，也就是通过检测，可以上路了；但是如果测试结果为红灯，则车辆将维持在锁定状态，即使钥匙插入钥匙孔也无法发动车子。这将大大减少由酒后驾驶造成的恶性交通事故。
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，用半导体气敏元件组成的气敏传感器广泛应用于工业上的天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的检测、预报和自动控制。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。