《传感器原理及应用》创新性应用课题研究报告题目：基于气敏传感器的酒精测试系统学院：自动化工程学院年级专业：2012级电子信息科学与技术姓名：韩佳林、罗荣伟、于帅、孙建超任课教师：迟宗涛2015年12月20 日目录1 绪论 (1)1.1 呼吸气体酒精浓度检测报警仪开发背景 (4)1.2呼吸气体酒精浓度检测报警仪的简介 (4)1.3呼吸气体酒精浓度检测报警仪课程设计基本要求与设计简介 (5)2 单片机最小系统介绍 (6)2.1 STC89C52简介 (6)2.2 复位电路介绍 (8)2.3 晶振电路介绍 (9)3 信号采集和AD转换过程的软硬件设计 (10)3.1 MQ-3酒精浓度传感器模块简介 (10)3.2 AD转换软硬件件设计 (11)3.2.1 ADC0804简介 (11)3.2.2 本设计中ADC0804外围硬件连接 (13)3.2.3 本设计中AD转换软件实现 (14)4 显示模块软硬件设计 (16)4.1 LCD1602简介 (16)4.2 本设计中LCD1602的硬件连接介绍 (17)4.3 本设计中LCD1602的软件设计 (17)4.3.1 本设计的液晶写命令子函数和写数据子函数程序分析 (17)4.3.2 本设计中用到的液晶指令介绍 (19)4.3.3 本设计中的字符串显示和数据实时更新的实现方法 (19)5. 其它外围设备软硬件设计 (22)5.1 报警电路软硬设计 (22)5.1.1 硬件部分设计 (22)5.1.2 软件部分设计 (22)5.2 待机指示灯软硬件设计 (23)5.2.1 硬件部分设计 (23)5.2.2 软件部分设计 (23)5.3 按键软硬件设计 (23)5.3.1 硬件部分设计 (24)5.3.2 软件部分设计 (24)5.4 电源电路 (25)6．系统总体设计 (26)6.1 硬件总体框图 (26)6.2 程序流程图 (27)6.3 硬件调试 (28)6.4 软件调试 (28)6.4.1 标志数的应用 (28)6.4.2 按键的消抖与松手检测的程序实现 (29)6.4.3 定时器与定时器中断 (30)结束语 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录一硬件设计原理图 (34)附录二实物照片 (35)附录三程序 (36)1 绪论1.1 呼吸气体酒精浓度检测报警仪开发背景我国经济、科技正在迅速腾飞，汽车早已进入寻常百姓家。
我国正在步入“汽车社会”，2011年我国汽车总数突破8000万辆,位居世界第三，这也带来了许多问题，酒驾正是其中之一。
酒精有使神经系统镇定松弛的作用，但也会成抑制力明显减弱，可能造成酒后暴力行为。
如果酒后驾车，由于神经系统涣散和判断力下降，有可能造成严重交通事故。
据科学实验表明，饮酒后对交通灯的反应慢，转向急速驾车摇摆不定，违法转弯和急速转弯等行为发生概率大大增大。
喝酒后开车发生交通事故的概率是未喝酒时的16倍。
2011年05月01日，我国正式将酒驾列为刑事犯罪。
酒驾给了我们惨痛教训，为了避免悲剧的再次发生，检测仪器便出现了，本课程设计所制作的基于单片机的呼吸气体酒精浓度测试报警仪正是用于交警检测和自我检测的良好仪器，防止酒后驾车引发的交通事故。
1.2呼吸气体酒精浓度检测报警仪的简介燃料电池型、半导体型、气体色谱分析型、比色型、红外线型是呼吸气体酒精浓度测报警仪的五种最基本类型。
其中燃料电池型和半导体型是使用最为普遍的两种类型。
燃料电池型与其它类型相比具有抗干扰能力强，精度高，受环境因素影响小，稳定性好等特点。
它是当前全世界科学家都在广泛研究的环保型应用技术，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，其应用前景之一就是作为无污染的清洁能源，酒精传感器便是燃料电池的一个分支。
燃料电池酒精传感器采用白金作为电极，在燃烧室内填充相应特殊催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。
与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点。
但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料成本高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。
本设计传感器是采用半导体型。
1.3呼吸气体酒精浓度检测报警仪课程设计基本要求与设计简介本设计要求成品能对呼吸气体中的酒精浓度进行实时采集、转换、分析、显示、超值报警。
成品硬件主要包括基于STC89C52单片机的微控制模块、MQ-3传感器采集模块、基于ADC0804芯片的A/D转换模块、按键控制模块、以1602为核心的显示模块、报警电路模块等。
软件部分包括实时数据采集转换程序设计、实时按键检测程序设计、显示程序设计、报警检测和报警程序设计，考虑到MQ-3传感器在使用前有一个预热过程所以设计还加入了待机程序的设计。
2 单片机最小系统介绍图2-1 最小系统电路图2.1 STC89C52简介本设计以STC89C52单片机为控制核心。
单片机也就是MCU，即微控制单元，大学阶段51型和52型是同学最常使用的，用于课程设计或毕业设计的为控制单元。
52型是在51型的基础上发展而来的，它兼容51指令系统，其功能更为强大，ROM和RAM存储空间也比51型更大。
STC89C52是52型中最普遍的一种。
它除了具备一般52型的优点以外，还具有程序无法解密，价格低，功耗低,运算高速，高可靠强性，抗静电和抗干扰能力强,功能强大等突出优点。
STC89C52有40个引脚，32 I/O口，它们分别是：P0口，1号到8号引角；P3口，10号到17号引角；P2口，21号到28脚；P0口，32号到39号引脚。
STC89C52可以实现两级中断嵌套，内含2个外部中断入口，可以同时实现两个计时器或计数器中断，还含有一个串口通信中断。
串口通信中可以使用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也给使用者带来了极大方便。
STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
STC_ISP_V479是本设计使用的程序下载软件，它以冷启动的方式，很方便地将hex文件载入单片机。
相比以往的MCU，STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，可自由选择两种软件节电工作模式也是其突出优点。
空闲方式时，自动停止CPU当前工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统，继续工作，即可以随时相应突发状况，重新进入工作模式，这样可以节省电源。
另外STC89C52的ROM采用电擦除电存储方式，具有可反复擦写的Flash存储器，这给程序编写者带来了极大方便，可以反复擦写下载十万余次，方便程序调试，同时大大节约了设计成本。
图2-2 STC89C52单片机各引脚图2.2 复位电路介绍图2-3 复位电路电路图单片机工作过程中有一个程序指针，它指向即将要执行的程序。
单片机上电时要执行复位操作，使得程序指针指针指向程序的0000H地址处，即单片机将要执行第一条语句，以后每执行完一条语句程序指针都依次增加。
这样使得单片机每次执行程序都处于确定状态，如果没有程序指针，就不知道程序一开始应该从哪里开始执行，也不知道工作时应该执行哪条语句。
上电时的自动复位，使得各端口的输出输入电平不会处于不确定状态，不会使外围设备产生误动作；也能防止内部一些控制寄存器的功能紊乱。
另外，在单片机工作过程中，如前所述，ATC89C52单片机的就好引脚RST若输入大于2个机器周期时间的高电平时，单片机就会执行复位操作，即程序指针将由当前指针跳回到程序的0000地址处。
以上所说的上电复位，和RST按键复位正是单片机复位操作的两种基本形式。
上电复位的实现方法是，在接通电源时，RST引脚获得瞬间高电平，因为电容电压不能突变，随着图3中的电容C2的充电，RST引脚所获得的高电平逐渐下降，但能保持两个机器周期以上的时间，单片机复位。
RST按键复位的方法是，在图3所示的复位电路中，当轻触开关S1被按下，RST 与VCC相连，也能获得瞬间高电平，因为电容电压不能突变，随着图3中的电容C2的充电，RST引脚所获得的高电平逐渐下降，但能保持两个机器周期以上的时间，单片机复位。
在复位电路的设计中，要选择合适的元器件参数，电阻的阻值不宜过大或者过小，过大使得RST不可能获得高电平，过小也不能起到限流作用。
另外电容容值也应该合适，要保证放电时，RST引脚上的高电平也能保持两个机器周期以上的高电平。
本设计使用的电解电容容值和各电阻阻值在图3中都有标注。
2.3 晶振电路介绍图2-4 晶振电路电路图单片机必须有时钟信号控制，才能使得工作时各指令在操作上有严格的时间次序，可以通过两种方法提供时钟信号，一种是外部时钟方式，另一种是内部时钟方式。
外部时钟方式是在XTAL1端引入外部已有的时钟信号，而XTAL2端悬空，外部时钟信号一般是频率小于12MHZ的方波。
外部时钟方式一般是用于多台单片机协同工作时，如单片机之间的通信，这样要使单片机有统一的工作节奏。
本设计采用内部时钟方式，其电路结构简单，功率消耗低。
本系统中为了尽量降低功耗的原则，采用了内部时钟方式。
晶振全称为晶体振荡器（英文Crystal Oscillators），其作用在于产生原始的时钟频率。
内部时钟方式的电路实现方法是在XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体，与单片机片内震荡电路形成震荡回路，图中电容C3和C4的容值为22pF，它们的作用是加快起振和稳定频率。
3 信号采集和AD转换过程的软硬件设计3.1 MQ-3酒精浓度传感器模块简介图3-1 MQ-3酒精浓度传感器模块引脚示意图MQ-3酒精浓度传感器模块由传感器探头和调理电路组成。
MQ-3酒精浓度传感器探头输出的微弱电流送入调理电路，使信号放大并滤去杂波。
MQ-3酒精浓度传感器模块引脚示意图如上图，除VCC和GND以外，模块还有两个输出端口，TTL电平输出端口和模拟信号输出端口。
在检测的酒精浓度值大于传感器内预设值时，TTL电平输出端口将输出高电平，起报警信号作用，若小于预设值则输出低电平。
由于传感器模块内部预设值不方便通过程序改变，所欲在本设计中TTL电平输出端口悬空，而报警值则在程序中设定，报警由单片机程序控制，这要便于修改。
模拟信号输出端口能输出0到+VCC 的模拟信号，当检测的酒精浓度越大时输出电压越高。
此端口接入ADC0804的6号引脚，实现AD转换。
表3-1 MQ-3传感器参数表名称MQ3传感器A.标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc 回路电压≤15V AC or DCVH 加热电压 5.0V±0.2V AC or DC RL 负载电阻可调RH 加热电阻31Ω±3Ω室温PH 加热功耗≤900mWB.环境条件符号参数名称技术条件备注Tao 使用温度 -10℃-50℃Tas 储存温度 -20℃-70℃RH 相对湿度小于 95% RHO2 氧气浓度 21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于２％C.灵敏特性符号参数名称技术参数备注Rs 敏感体电阻 1MΩ- 8 MΩ(200ppm alcohol ) 适用范围：10-1000ppm Alcoholα（200/100）alcohol浓度斜率≤0.6标准工作条件温度： 20℃±2℃ Vc:5.0V±0.1V 相对湿度： 65%±5% Vh: 5.0V±0.1V预热时间不少于24小时3.2 AD转换软硬件件设计3.2.1 ADC0804简介图3-2 ADC0804引脚示意图ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。