机械工程酒精传感器.doc

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1、淮阴工学院课 程 设 计课程名称： 测试技术与传感器课程设计 题目： 酒精传感器的设计 学 院： 机械工程学院 专业班次： 机械电子2012级 姓 名： 王力 指导教师： 路连、高荣 学 期： 20142015学年 第二学期 日 期： 2015.6.26 1 绪论32 硬件电路设计与实现42.1 硬件系统框图42.2 信号采集电路42.3最小系统的实现72.4 数据采集设计82.5 按键设计92.6数码管显示设计102.7 报警电路设计103 软件设计113.1 主程序模块113.2 按键输入模块124结论13参考文献14第一章绪论本设计实现了对不同浓度酒精的检测和显示，通过适当改进可以用于检

2、测酒后驾车。本文用STC12C5A60S2单片机与MQ-3型气体传感器实现了对酒精浓度的测量，并对测量数据进行显示，同时利用二极管简单显示浓度的高低，在设计允许值时发出报警。论文主要研究了（1）硬件方面，MQ-3气体传感器技术参数的检测和将它接入到酒精浓度检测模块中；将模拟电压信号放大驱动发光二极管点亮报警；将采集到的模拟电压信号通过单片机控制经A/D转换，得到数字电压信号；用于显示浓度的数码管显示模块。（2）软件方面，主要研究了电压到浓度的线性转换和最终浓度值的数码管显示。（3）对设计的传感器进行了标定。设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓度值。并且在检测低浓度酒精时误差

3、较小，最大误差为8.2%满足设计要求。本文的特色在于标准的确定。对于流动空气，样品的稳定性和水蒸气的影响，提出了解决方案和验证方法。对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理，简化了硬件电路的设计。设计的传感器可以检测不同浓度的酒精气体，改进之后对解决酒后驾车事故和特殊场合酒精检测都可以使用。传感头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。也有选择以其他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

4、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和相应数据处理并送显示的作用，是传感器的核心部分。关键词：气体传感器，模数转换，单片机STC12C5A60S2，MQ-3第二章 硬件电路设计与实现2.1 硬件系统框图基于STC12C5A60S2单片机用MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-3气体传感器和负载电压得到分压电信号。信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处

5、理的数字信号。数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用蜂鸣器显示。根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图1所示。2.2 信号采集电路 根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类:（1）可燃性气体气敏传感器。目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。（2）CO和H2气敏传感器。CO气敏元件

6、可用于工业生产、环保、汽车、家庭等CO泄露和不完全燃烧检测报警；H2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道煤气泄露报警。由于我国管道煤气中H2含量很高，而氢敏元件较氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄露报警更为适宜。（3）毒性气体传感器。毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，虽然SnO2气敏传感器对CO，H2S等有毒有害气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。 传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的性质进行的分类，也有根据元件的物理特性进行分类的。一个新型的气体检测系统应该包括：（1）基于一种或几种

7、传感技术的气体传感器。（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。（4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。如图2所示：图2 MQ-3特点:检测范围为10ppm2000ppm ；灵敏度高，输出信号为伏特级；响应速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。 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

8、化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。MQ-3的灵敏度特性曲线如 图3所示。检测电路如图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20M。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10K以下，然后又逐渐上升至120K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120K降至10K以下。移开小瓶过1分钟左右后，A，B之间电阻恢复至大于120K。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

9、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。图4 MQ-3检测电路2.3 最小系统的实现单片机最小系统的设计包括电源，晶振和复位电路三个部分。这是使单片机正常工作的必要外围电路部分。针对不同型号的单片机在最小系统设计上会有一些差别。对于选用的STC12C5A60S2单片机，根据美国ATMEL公司提供的技术资料，可以对它的最小系统作恰当的设计，如图5所示。对于电源部分，技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是4.05.5V。因此，单片机的引脚40对应的VCC接到+5V电源的正极，引脚20对应的GND接到+5V电源的接地端，为STC12C5A6

10、0S2单片机提供正常的工作电压。对于晶振部分，STC12C5A60S2单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚19对应的XTAL1和18对应的XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。如图8所示，石英晶体及电容C1和C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。石英晶体的两端分别接到引脚XTAL1 和引脚XTAL2，同时石英晶体的两端分别接一个电容C1和C2，电容的另一端接地。对于外接电容C1和C2的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小还是会对振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定

11、性带来一定的影响。根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为30pF10pF，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pF10pF。因为电路中接的是石英晶体，所以设计中接的两个电容C1和C2的容量都为30pF。对于复位电路部分，STC12C5A60S2技术资料给出，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。复位是单片机的初始化操作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，可以按复位键以重新启动，所以复位电路的设计很有必要。复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计选用按键电平复位方式。如图7所示，10F的电容C3与200的

12、电阻并联后再与一个10K的电阻串联，电容的正极端接到电源的正极，电容的另一端接至引脚RST。设计中选用的石英晶体大小为12MHz,但复位键按下后，电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端RST提供大于2个机器周期的高电平复位信号 。图5 单片机最小系统设计电路2.4 数据采集设计信号的采样模块电路如图6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200K电位器并联的电阻。MQ-3型气敏传感器与电位器并

13、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

14、阻，应在实验使用前应对MQ-3预热5到10分钟。图6 数据采集电路2.5 按键设计本系统应用有人机对话功能，该功能即能随时发出各种控制命令和数据输入以及和LCD连接显示运行状态和运行结果。键盘分为：独立式和矩阵式两类，每一类按其编码方法又可以分为编码和非编码两种。由于本系统只有P10、P11 、P12 、P13个控制命令，所需按键较少，所以本系统选择独立式按键。电路图见图7。图7 按键电路独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键占有一根I/O口线。各根I/O口线之间不会相互影响。在此电路中，按键输入部采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，（S

15、TC12C5A60S2 .P1口内部接有上拉电阻）所以就不需要再外接上拉电阻。键盘抖动的消除：抖动的消除大致可以分为硬件削抖和软件削抖。硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行削抖，经过削抖电路后使按键的电平信号只有两种稳定状态。软件削抖的基本原理是当检测出键盘闭合时，先执行一个延时子程序产生数毫秒的延时，待接通时的前沿抖动消失后再判别是否有健按下。当按键释放时，也要经过数毫秒延时，待后沿抖动消失后再判别键是否释放。由于应用硬件削抖还需要外加器件，成本相对较高，所以本系统选择软件延时削抖的方法。2.6 数码管显示设计 用单片机驱动数码管有静态显示和动态显示，静态显示就是显示驱

16、动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就可以驱动数码管显示数据，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新的数据就可以了。静态显示数据稳定，占用CPU时间少。动态显示需要时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU 时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。本设计选用4位8段共阴数码管来显示输出的数据，因为电路硬件相对较简单，所以选择静态显示方法。选用1K上拉排阻驱动数码管发光点亮。其中S1、S2、S3、

17、S4对1位数码管进行位选；A、B、C、D、E、F、G对数码管进行段选。电路连接如图8所示。图8 数码管显示电路2.7 报警电路设计在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员参考，了解系统的工作状况。但对于某些紧急状态，比如系统检测到的错误状态等，为了使操作人员不至于忽视，及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意，提起警觉的报警信号。这种报警信号通常有三种类型：一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉；三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能直接给出警报种类的信息。其中，前两种报警装置因

18、硬件结构简单，软件编程方便，常常在单片机应用系统中使用；而语音报警虽然警报信息较直接，但硬件成本高，结构较复杂，软件量也增加。实现单频音报警的接口电路比较简单，只要当值高于警报值的时候给一个高电频驱动二极管发光和驱动蜂鸣器鸣音报警,实现电路简单易懂。以下为报警电路接线图如图9所示。图9 报警电路图这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。大大提高系统设计的效率与质量。由于我主要负责的是硬件设计，所以只是简单的介绍硬件方面的内容。第三章软件设计3

19、.1 主程序模块主程序实现的功能：与硬件相结合实现便携式酒精浓度检测仪的各个功能。主要是检测与显示，时间调整与显示，数据存储。功能子函数的调用。主程序流程图见图10。图10 主程序流程图3.2 按键输入模块按键时显现人机对话的一个控制按钮，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后在液晶上显示。按键查询式的流程图如图11所示。按键程序入口键值传送按键延时按键判断?按键释放?NNYY图11 按键查询式流程图按键的四个键分别接P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，由于P1口具有上拉电阻，所以不在需要加上拉电阻进行电压的放大。第四章结论 MQ-3传感器属于金属半导体电阻式传

20、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，得到3位BCD码并将3位送送数码管显示。在蜂鸣器报警模块中，将采集信号输入二极管集成功率放大器，对该采集信号放大后驱动相应的蜂鸣器，起到报警

21、的作用。参考文献1 司士辉生物传感器M化学工业出版社，20032 吴桂秀传感器应用制作入门M浙江科学技术出版社，20043 彭军传感器与检测技术M西安电子科技大学出版社，20034 陈杰，黄鸿传感器与检测技术M北京：高等教育出版社，20035 吴桂秀传感器应用制作入门M浙江科学技术出版社，20046 张锡富传感器M北京：机械工业出版社，20027 郁有文传感器原理及工程应用M西安：西安电子科技大学出版社，20038 楼然苗，李光飞51系列单片机设计实例M北京航空航天大学出版社，20039 朱定华，戴汝平单片微机原理与应用M清华大学出版社，200310 胡乾斌，李光斌，李玲单片微型计算机原理与应用M华中科技大学出版社，200211 胡汉才单片机原理与借口技术M清华大学出版社，200412 余家春Protel 99 SE电路设计实用教程M中国铁道出版社，200413 张培仁基于汇编语言编程MCS-51单片机原理与应用M北京：清华大学出版社，200314 / 14