基于单片机的酒精浓度监测系统

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基于单片机的酒精监测系统

摘要：近年来，车祸惨案频频发生，而绝大多数车祸的起因都是因为驾驶员醉酒驾驶。

因此减少车祸的一大重要措施，就是对人们是否酒驾进行检测。本设计基于单片机的酒精浓度监测设计，是一款基于单片机的酒精浓度检测和显示含量及报警的仪器。其作用是，通过MQ-3酒精浓度检测传感器检测驾驶员的呼气中酒精含量，利用仪器中核心控制器内的程序运行逻辑，来将酒精检测传感器测得的数据进行提取和转换，然后将读数显示在仪器的显示屏上，如果检测中驾驶员呼出的气体酒精含量超标，仪器便会发出报警，以此提醒民警，该驾驶员酒后驾驶。基于单片机的酒精浓度测量仪的发明推广和普遍应用，不仅极大地降低了人们醉酒驾驶的几率，将车祸发生概率尽可能降低到最小，而且增加了人们的法律意识，加强了人们对法律的认知度和对法律的敬畏。本设计核心控制芯片是STC12C5A60S2单片机，在本设计中的作用是，对数字信号进行提取、显示和比较，以此实现对MQ-3气体酒精浓度检测传感器检测数据的提取、通过LCD液晶屏的显示和超过范围时的声光报警。

关键词：STC12C5A60S2单片机；LCD液晶显示屏；MQ-3酒精浓度检测传感器；声光报警；

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酒精浓度监测的设计

一、绪 论

1.1作用及意义

近年来，车祸事故频频发生，而绝大部分车祸的起因都是驾驶员的醉酒驾驶。因此减少车祸的一大重要措施，就是对人们是否酒驾进行检测。本设计是依托在单片机的酒精浓度监测系统设计，是一种依托于单片机的酒精浓度监测与显示含量以及警报的设备装置。关于它作用是利用MQ-3酒精浓度监测传感器来监测驾驶员呼出空气中的酒精含量，运行的思维部分是利用仪器中核心控制器内的程序，进一步获取和转化酒精监测传输感应器测得的数据，然后把数值通过仪器显示屏显示出来，如果驾驶员呼出的空气中，酒精浓度超出了阈值，它就会进行报警，以此来警醒民警：该驾驶员是酒后驾驶。基于单片机的酒精浓度监测系统的发明推广和普遍应用，不仅极大地降低了人们醉酒驾驶的概率，将车祸发生概率尽可能降低到最小，而且增加了广大司机群体的法律意识，加强了民族对法律法规的认识与对法律的敬畏程度。

1.2在全球的研究现状

全球研究现状

世界上最早的气体监测传感器是由外国科学家在1930年之后，开始进行研究的，到如今已经有着快一百年的历史了。尤其是21世纪之后，传感器的发展进入了迅猛期，市面上已经开始出现各式各样的传感器，且性能一代优于一代。其中的燃料电池型是在国内外市场销量最大的环保型的气体检测传感器。其原理是气体充分燃烧转化为电能，然后利用ad转换芯片，将酒精燃烧产生的电压检测出来，读取之后与实现编程好的数据表进行比较，然后显示屏上显示出气体的酒精浓度。这种检测方式成本较高，且仪器工艺制造要求很高，因此仪器较为昂贵。随着后来，半导体技术的越来越成熟和应用的普及，半导体气体酒精浓度检测传感器已经逐渐取代传统的燃料电池型传感器，成为首选仪器[1]。

随着半导体酒精检测传感器性能的逐渐稳定和完善，酒精检测的精确度已经日渐平- 3 -

常。而且，随着单片机其中的核心控制芯片的飞速发展以及改进，其性能也必然会越来越优良。而MQ-3气体酒精浓度检测传感器和单片机以及显示屏和蜂鸣器指示灯等元件组成的电路构成的酒精浓度检测仪器，其稳定性和可靠性已经越来越好。而因为私家车的普及，交通管制中为了极可能地减少车祸的发生，酒精检测仪的使用会越来越多，而且由于所有的仪器都有一定的保质期，为了仪器性能的更加稳定，国家定期就会更换一批设备，以保证马路秩序的井然有序。这样就会导致酒精检测仪的前景和市场极为广阔，需求量极大［2］。

1.3尚待研究的问题

（1）MQ-3传感器是通过其中的气敏传感器，对酒精浓度进行感应，而这个浓度是相对较小的，因此需要解决浓度相对较小的问题。解决此问题的方法就是设计一款针对性的放大电路，用来实现小变化的模拟信号与大幅度的模拟信号之间的转换。

（2）通过有放大功能的电器组成的放大电路，以此将电信号放大以后，此信号仍然是模拟电路没有变化，普通单片机需要将模拟信号转化为数字信号，这种问题的解决方法可以是搭建一个ad转换电路，其输入端是放大电路端输出的对应模拟信号，ad转化线路对照的传出端和对应的单片机相互连接，进而转变为讯号。

（3）前两个问题的解决方法，可以有一个简易的解决方法，那就是使用一个精度较高的带ad转换功能的单片机芯片，这就可以不用外部搭建放大电路和ad转换芯片电路，而直接利用单片机自带的高精度ad转换功能，就可以实现。这个单片机自身带有的AD转化功能，能够达到对酒精测定数值的读取与转化，由此可以代替外接的ad转换芯片电路，节省精力和成本，并且简化了电路。同时这款单片机的ad转换具有高精度的特点，则可以将检测结果分成1024小份，来起到放大电路的作用。

（4）单片机显示呼出气体的酒精浓度后，如何更加直观地让民警一下就知道此人是否酒驾，其方法是，先给单片机设一个酒驾范围临界值，如果驾驶员呼出的空气中酒精的浓度处于酒驾范围内，监测仪可通过蜂鸣器以及指示灯所发出的声光报警，以此来告诉民警，此人为酒后驾驶[3]。 - 4 -

二、总方案设计

2.1 分析

针对此设计，需要具有以下特点：

（1）核心采用单片机，构成数据采集系统，不需要任何其他计算机，数据的采样收集、保存、计算以及分析等过程就能完成。

（2）低功率消耗、微型化及超高性能价格比是本系统的特征。

（3）由此系统控制键盘和使用LCD显示实现人机交互[2]。

2.2 酒精浓度监测系统方案

系统设计过程中，需兼顾到酒精含量是把传输感应器的非电量部分转化为电量部分，这种传输感应器传出的是0-5V的电平数值，而且电平数值比较平稳，且外部干扰较小。原理图如图2-1所示。

图2-1 基本工作原理图 被测

环境 气敏

传感器 A/D转换电路 单片机 声光报警电路

液晶显示

键盘 - 5 -

三、硬件设计

3.1 传感器的选择

监测系统重点直接监测呼出的空气中酒精所含量，接着再转变成血液当中所含有的酒精浓度，因此采取气敏传输感应器。周边空气当中包括的气体组分或许会影响到传输感应器的准确度，所以传输感应器仅对酒精气体敏感，不会对其它气体敏感，所以采取MQ3式的气敏传输感应器。高灵敏性，优良的选择性与长效应用周期，拥有较强的稳定性等均是其优势特征。MQ3式气敏感应器所包含的各类气敏器件有微型Al2O3，陶瓷管和二氧化锡敏感层，测定电极，加热器，气敏部件，为加热器提供了需要的条件。传输感应器其架构关系如图3-1,3-2,3-3所示。

图3-1 MQ3 结构和外形图

A1F2A3B4F5B6RL3MQ-2+5GNDR8470GNDINR75.1C4104

图3-2 MQ3 结构图

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图3-3 传感器阻值变化率和相关条件关系图

3.2 A/D转换电路

系统中需经过传输感应器把各种非电量数据转变成电讯号才能够执行数据解析处理。将完成仿真量转变为数字量的元件称之为模/数转化器（ADC）[4]。

此设计中选用的转换器是ADC0809。

3.2.1 ADC0809的引脚及功能

此是逐一对比型模/数转化器，它的精确度、速率和价格方面都处于适中状态。系统采用的芯片是ADC0809。ADC0809的引脚和功能芯片如图3-4所示。

图3-4 ADC0809引脚

ADC0809的重要引脚功能如下：

IN0～IN7：8个输入模拟量的输入端。

2-1～2-8：输出8个数字量的输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：地址传入线具有三位，选择联通八路仿真输入的那一路

ALE：对高电平有效的，是地址锁存的允许信号的输入端。

START：数字电平从高电平变为低电平的那一瞬间将启动A/D转换。 - 7 -

EOC：模/数转化传出端，其转化阶段将始终是低电压，当模/数转化完成的时候，传出端将会传出1个高电压。

OE：对高电平有效的输入端。

REF（+）、REF（-）：0点电压。

Vcc：电源，单一+5V。

GND：地。

为此可采用下述三种传送方式。

（1）定时传送方式

已得知的固定转化时间对模/数转化器来讲做为其中一项技术参数指标。能够设计1个子程序，可延迟，模/数转化可调取这一子程序，条件是需在起动以后。

（2）验证方式

据此可以运用验证方法，测定EOC的状态，确定转化有没有完成，接着执行数据传送。

（3）中断方式

不管运用上面所述哪类方法，当确认转化完成的时候，就能够经过命令来执行数据传输。

要注意的重点：用总线连接的方式来直接连接系统数据，通道选择表如图3-5所示【5】。

图3-5 通道选择表

3.2.2 ADC0809结构以及转换的原理

每当0809完成一次转化，时间大约需要100μs，传出有TTL的三态锁存缓冲器，可以直接连接到MCS-51数据信息总线上。ADC0809结构框图如图3-6所示。 - 8 -

图3-6 ADC0809的结构框图

3.2.3 ADC0809连线图

ADC0809与单片机的连线图如图3-7所示。

In31In53In64In75START6EOC7D38OE9CLOCK10Vcc11Vref+12GND13D114D215Vref-16D017D418D519D721ALE22ADDC23ADDB24ADDA25In026In127In42D620In228ADC0809ADC1ADC0809+5GNDD0D1D2GNDD3D4D5D6D7STSTEOCOECLKIN

图3-7 ADC0809的连线图 START CLK

OE VR(+) VR(－) VCC

GND EOC

D0

.

.

.

D7 三态输出锁存器 8位A/D转换器

地址锁存与密码 C

B

A

ALE 8 路模拟量开

关 IN7

….

IN0 - 9 -

3.3 89C51单片机系统

单片机89c51实际上是种集成线路的芯片，它采取的是大规模技术，把拥有数据处理的性能（例如数学计算、逻辑计算与信息传输与中断操作）的这类微型处理器，及脉冲宽度调制线路，用来仿真多路的转化器及模/数转化器之类的线路，把其集中到一块芯片上，组成1个虽小但完备的一款计算机系统。上述线路能够在程序软件的调控下执行精确、快速且高效的实现预设的工作任务[5]。

3.3.1 单片机片内结构

51单片机的结构如图3-8所示。将能够当作它对应调控功能所需要的一些内容，全都放在一个体积较小的集成线路芯片上。按照功能划分，由如下功能部件组成：

（1） 中央处理器（CPU）。

⑵ 随机存取存储器(RAM)。

⑶ 程序存储器（ROM/EPROM）。

⑷ 4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）。

⑸ 一个串行口。

⑹ 2个16位定时器、计数器。

⑹ 2个16位定时器、计数器。

⑺ 中断装置和中断处理程序。

⑻ 80C51单片机中各功能部件对应的寄存器（SFR）。