基于单片机的交警用酒精测试仪设计和制作本科毕业论文.doc
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1、摘要随着社会的发展,从工厂企业到居民家庭,酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。同时,随着人民生活水平的迅速提高,越来越多的人有了自己的私家车,而酒后驾车造成的交通事故也频繁发生,为此,我国将酒驾列入刑法范围内。由于人们的安全意识增强,以及对环境安全性和生活舒适性要求的提高,为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车,现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视,酒精浓度测试仪逐渐得到广泛应用。此外,酒精测试仪也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。如今,气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展,因此,酒精浓度检测仪具有十分广阔的
2、现实市场和潜在的市场要求。 本文研究设计了一种基于单片机的酒精浓度测试仪。它采用MQ-3乙醇气体传感器对酒精浓度进行检测,利用单片机STC12C5A16AD对检测信号进行模数转换和处理,再通过液晶屏对信号进行输出显示。此酒精浓度测试仪还具有醉酒阈值设定功能,可以根据法律法规或用户需要设定修改醉酒阈值,当乙醇浓度超过设定的阈值,系统就会使红灯闪烁进行报警。关键词: MQ-3气体传感器;单片机;模数转换;液晶显示;可擦除只读存储器ABSTRACT With the development of society, from the factories and enterprises to house
3、holds, the alcohol leak detection,monitoring, and monitoring of drunk driving is very important and essential to personal and property safety of the residents. Meanwhile, with the rapid improvement of peoples living standard, more and more people have their own private car, and traffic accidents occ
4、ur by drunk driving also frequently, to this end, the wine driving are included in the criminal law in China. As the peoples security consciousness enhancement and the people to the environment safety and life comfort requirements increase , in order to prevent the motor vehicle drivers drunk drivin
5、g, detection of human breath alcohol content on the spot has received increasing attention, alcohol concentration tester is gradually widely used. In addition, alcohol tester can also be used in food processing, brewing and other occasions who need to monitor the alcohol concentration in the air. To
6、day, the development of the gas sensor to the low-power, multi-functional, integrated direction, therefore, the alcohol concentration detector has a very broad market and potential of the market requirements. I design a alcohol concentration tester based on MCU in this paper. It uses the MQ-3 ethano
7、l gas sensor to detect the alcohol concentration, and analog to digital conversion and processing of signal detection with the microcontroller STC12C5A16AD, through the LCD screen display the signal. The alcohol concentration tester also has drunken threshold setting function, we can according to th
8、e laws and regulations or the user needs to modify the drunken threshold setting , when the ethanol concentration exceeds a set threshold, the system will make the red light flashes.Keywords:MQ-3 gas sensor;Microcomputer;A/D conversion;LCD;EEPROM目录1 绪论11.1 设计背景11.2 气体传感器国内外发展现状21.2.1 气体传感器在国外发展现状21.
9、2.2 气体传感器在国内发展现状21.2.3 气体传感器国内外发展状况对比31.3 酒精浓度测试仪现状及发展趋势31.3.1 目前酒精浓度测试仪普遍缺点31.3.2 酒精测试仪的应用41.4 设计酒精浓度测试仪的意义42 硬件电路设计与实现52.1 单片机开发流程52.2 硬件系统框图52.3 气体传感器62.3.1 气敏传感器的分类62.3.2 气体传感器的选择72.3.3 气体传感器模块电路102.4 单片机系统102.4.1 STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机简介112.4.2 单片机的选择122.4.3 单片机系统电路152.5 晶振电路152.5.1单片机晶振的应用16
10、2.5.2晶振模块电路162.6 LCD显示电路162.6.1液晶显示模块172.6.2 液晶屏接口电路192.7 阀值存储系统192.7.1 I2C总线简介192.7.2 AT24C04简介202.7.3 EEPROM存储电路222.8供电及程序下载电路223 系统软件的设计233.1 编程语言的选择233.2 软件流程图243.3 阀值读写软件设计253.3.1 SDA和SCL信号253.3.2 阀值的读写操作263.4 数据转换流程图273.5 按键程序流程图283.6 液晶显示程序流程图284 下载与调试304.1 驱动安装304.2 下载程序305 结论336分析和总结36参考文献3
11、7附录1:电路图38附录2:主程序39致 谢44 1 绪论 测试仪向更迅速更快捷发展,方便携带等要求发展。传统的机械测试仪或酒精计一般灵敏度和准确度也比较低或者检测方法难,同时单片机既有通用计算机的基本部件,又不同于计算机。有体积小,实时快速的对外部事件做出响应,迅速采集大量数据,做出逻辑判断与推理后实现被控对象的参数调整与控制,且能满足测试仪的设计要求,所以基于单片机的酒精浓度测试仪的开发有很大意义。1.1 设计背景传感器是人类探知自然界信息的触角。在人类文明的发展历史中,感受处理外部信息的传感技术一直扮演着一个重要的角色。在古代,传感技术由人的感官来实现,人观天象而仕农耕,察火色而冶铜铁。
12、从18世纪产业革命以来,特别是在20世纪信息革命中,传感技术越来越多的由人造感官,即传感器来实现。目前,传感器的应用如此广泛,可以说任何机械电气系统都离不开它。人们常常将传感器称之为电五官,这是说如果将计算机比作人的大脑而称为电脑的话,那么传感器的地位和功能就相当于人的眼,耳,鼻,舌,身五官。 近年来,传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段,新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化,它将不仅促进系统产业的改造,而且可导致建立新型工业和军事变革,是21世纪新的经济增长点。由于气体与人类的日常生活密切相关,对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段,气体
13、传感器发挥着极其重要的作用。气体传感器是把气体中的特定成分检测出来,并转化为电信号的一类器件,用来对有害气体,易燃易爆气体等进行安全检测和报警,对生产生活中需要了解的气体进行检测,分析,研究等。对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型,即:燃料电池型(电化学)、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。但由于价格和使用方便的原因,常用的只有燃料电池型(电化学型)和半导体型两种。燃料电池可以直接把可燃气体转变成电能,而不产生污染,酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极,在燃烧室内充满特种催化剂,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
14、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。从传感器技术发展的角度看,根据使用传感器原理的不同,常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域,新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流,现在的酒精浓度检测仪都是采用可替代吹管,酒精仪从传统的机械检测或酒精计到现在的利用传感器和单片机位核心技术的酒精浓度检测仪式在技术上是一大突破,大大提高了检测酒精的精确度。1.2 气体传感器国内外发展现状 对于气体传感器的发展现状来说:一
15、是气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展。二是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展MEMS技术,发展现场适用的变送器和智能型传感器。1.2.1 气体传感器在国外发展现状 国外气体传感器发展很快,一方面是由于人们安全意识增强,对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此,国外气体传感器技术得到了较快发展,据有关统计猜测,美国1996年2002年气体传感器年均增长率为(2730)%。目前,气体传感器的发展趋势集中表现为:一是提高灵敏度和工作性能,降低功耗和成本,缩小尺寸,简化电路,与应用整机相结合,这也是气体传感器一直追求的目标。如
16、日本费加罗公司推出了检测(0.110)106硫化氢低功耗气体传感器,美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器,美国FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展MEMS技术,发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器,使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能,实现了智能化;还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。1.2.2 气体传感器在国内发展现状 气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为
17、重点支持发展的情况下,国内已有一定的基础。其现状是: (1)烧结型气敏元件仍是生产的主流,占总量90%以上;接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力;电化学气体传感器有了试制产品。 (2)在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺,使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏;在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构;在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件,新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料。 (3)低功耗气敏元件(如一氧化碳,甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试。 (4)国内气敏元件传感
18、器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家,黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资)、北京电子管厂(特种电器厂),其中前四家都超过100万支,据行业协会统计,1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。1.2.3 气体传感器国内外发展状况对比总的看来,我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展,但与国外先进水平仍有较大的差距,主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距,与日本比较仍要落后10年。早在1968年,半导体气敏元件传感器就在日本实现商品化。现今在工业发达国家,如美国、日本、英国、德国已经发展成品种规格齐全、技术综合发展的新兴产
19、业,实现了生产规模化、产业化、应用技术系统工程化。1.3 酒精浓度测试仪现状及发展趋势根据使用传感器原理的不同,常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域,新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流,如今的酒精浓度检测仪都是采用可替代吹管,酒精仪从传统的机械检测或酒精计到现在的利用传感器和单片机位核心技术的酒精浓度检测仪式在技术上是一大突破,大大提高了检测酒精的精确度,更能满足市场的需求。1.3.1 目前酒精浓度测试仪普遍缺点但是当前大部分一般的酒精浓度检测仪价格较低的灵敏度并不是很强,准确度高的一般售价也比较昂贵,并且大多只是对结果进行预警、低报、高报三限报警点设置,所以在LED显示
20、酒精浓度数值上应实现普及,得到准确的浓度数值。同时很多其他气体会可能会对其影响,从而影响准确度。所以在传感器的腐蚀性以及排除其他干扰的能力值得提升。现在大多都是检测气体浓度或液体浓度的检测,最好是能解决一个检测仪同时检测气体和液体两种不同状态的酒精浓度。1.3.2 酒精测试仪的应用目前英国内政部已推出一种超级酒精呼吸检测仪,能根据体温、呼吸频率等情况,当场判断出驾驶者体内的酒精含量。奔驰、大众、宝马等厂家也研制出一些预防酒后驾车的车内设备,其中包括“酒精锁”。驾驶者在发动引擎前,须向车内一种小型酒精检测装置吹气,如果酒精浓度超过标准值,引擎将无法启动。另外一种酒精锁则是一种情景对话设备。这种设
21、备会询问驾驶者的家庭地址等问题,如果驾驶者在酒后意识不清醒,不能正确答对所的问题,就无法启动汽车。一些新的光学手段也可应用于对付醉驾。俄罗斯圣彼得堡一家激光公司发明了激光酒精检测仪,可对驾驶员是否饮酒进行远距离探测。检测时,检测仪发射一束激光透过挡风玻璃对车内空气进行检测,如果空气中酒精含量超过百万分之一,仪器就会报警。1.4 设计酒精浓度测试仪的意义 本设计基于STC12C5A16AD单片机设计的酒精气体浓度探测仪,可用来检测酒精气体浓度,最主要的用途是检测司机的酒精含量。酒后驾车发生事故的机率高达27%。随着摄入酒精量的增加,选择反应错误率显著增加,当血液中酒精含量由0.5%增至1%,发生
22、车祸的可能性便增加5倍,如果增至1.5%,可能性再增加6倍。机动车驾驶人员“酒后驾车” 及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故, 严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。人饮酒后, 酒精通过消化系统被人体吸收, 经过血液循环, 约有90%的酒精通过肺部呼气排出, 因此测量呼气中的酒精含量, 就可判断其醉酒程度。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。 酒精气体浓度探测仪在
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