基于单片机的酒精气体检测系统设计【文献综述】.docx

1、1 前 言气体与人类的日常生活密切相关，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检测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少 的。现如今，由于人们的安全意思增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高， 再加上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 仪具有十分广阔的显示市场和潜在的市场要求。单 片 机 是 一 种 集 成 在 电 路 芯 片 ， 是 采 用 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 把 具 有 数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存 储器 RAM 、 只读存储器 ROM 、 多 种 I/O 口和中断系统、 定时器 /计 时器等功能（

2、 可能还包括显示驱动电路、 脉 宽 调 制 电 路 、 模 拟 多 路 转 换 器 、 A /D 转 换 器 等 电 路 ） 集 成 到 一 块 硅 片 上 构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机 ，是 典型的嵌入式微控制 器（ M icrocontroller Unit）， 常用英文字母的缩写 M CU 表示单片机， 它最早是被用在工业控制 领域。 单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。 单片机内部也和 电脑功能类 似的模块 ， 比如 CPU， 内 存， 并行总 线， 还有 和硬盘作 用相同 的 存 储 器 件 ， 不 同 的 是 它 的 这 些 部 件 性 能

3、 都 相 对 我 们 的 家 用 电 脑 弱 很 多 ， 不过价钱也是低的， 一般不超过 10 元即可 .用它来做一些控制电器一类 不是很复杂的工作足矣了。在 计 算 机 出 现 以 前 ， 有 不 少 能 工 巧 匠 做 出 了 不 少 精 巧 的 机 械 。 进 入 电 器 时 代 后 ， 人 们 借 助 电 气 技 术 实 现 了 自 动 控 制 机 械 ， 自 动 生 产 线 甚 至 自 动 工厂， 并且大大地发展了控制理论。 然而， 在一些大 中型系统中自动化结 果 均 不 理 想 。 只 有 在 计 算 机 出 现 后 ， 人 们 才 见 到 了 希 望 的 曙 光 。 如 今 借

4、 助 计 算 机 逐 渐 实 现 了 人 类 的 梦 想 。 但 是 ， 计 算 机 出 现 后 的 相 当 长 的 时 间 里 ， 计 算 机 作 为 科 学 武 器 ， 在 科 学 的 神 圣 殿 堂 里 默 默 地 工 作 ， 而 工 业 现 场 的 测 控领域并没有得到真正的应用。只有在单片机（ M icrocontroller) 出现后，计 算 机 才 真 正 地 从 科 学 的 神 圣 殿 堂 走 入 寻 常 百 姓 家 ， 成 为 广 大 工 程 技 术 人 员 现代 化技术革新 ，技 术革命的有利武器 。目 前 ，单 片机在民用和工业测 控 领域得到最广泛的应用。 彩电， 冰箱

5、， 空调， 录 像机， VCD， 遥 控器， 游戏 机 ， 电 饭 煲 等 无 处 不 见 单 片 机 的 影 子 ， 单 片 机 早 已 深 深 地 溶 入 我 们 每 个 人的生活之中。传 感 器 头 是 酒 精 气 体 浓 度 检 测 中 感 受 酒 精 的 重 要 部 分 。 目 前 ， 所 设 计 的 该 类 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 文所选用的 M Q-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

6、性 好 ， 也 有 选 用 以 其 他 氧 化 物 为 基 本 材 料 制 成 的 传 感 器 ， 如 二 氧 化 钛 作 为 气 体 传 感 器 材 料 。 虽 然 目 前 的 二 氧 化 钛 薄 膜 有 电 阻 高 、 工 作 温 度 高 、 敏 感 性 差 的 缺 点 ， 但 是 二 氧 化 钛 薄 膜 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 检 测 。 单 片 机 在 整 个 传 感 器 中 起 操 作 和 相 应 数 据 处 理 兵 显示的作用， 是系统设计的核心部分。 目

7、前， 气 敏传感器已有较高的精度 ， 可 达 万 分 之 一 以 上 。 随 着 材 料 发 展 和 新 加 工 技 术 的 提 高 ， 有 了 高 可 靠 性 和 低 功 耗 的 气 体 传 感 器 ， 智 能 化 数 字 化 的 气 体 传 感 器 客 服 了 目 前 气 敏 传 感 器 人工测试带来的效率低， 误差 大和操作人妖长时间工作等问题。传统的气体检测方法是使用一个传感器进行检测，但由于单一传感器存在交 叉敏感的问题，这种方法对混合气体的检测无能为力。因此，本文基于单片机的 特点，从而实现对酒精汽油混合气体中酒精浓度的识别。系统以 AT89C51 单片 机芯片作为控制核心，采用

8、MQ-3 型酒精气体传感器作为数据采集单元，对混合 气体进行信号采集，经过 A/D 转换将采集的模拟信号数字化，利用单片机对信 号进行处理，通 过 显 示 器 实现数据的显示。最后，利用研制的系统对不同浓度 酒精和汽油的混合气体进行测量，对测试数据利用单片机进行定量识别，实现了 酒精与汽油混合气体中的酒精浓度的识别。基于单片机的酒精浓度检测以单片机和酒精传感器为核心，具有声光报警功 能及LED显示功能。根据不同的环境设定不同的阈值，超过阈值即进行声光报警， 提示危害。采用汇编语言来实现其软件功能，该系统硬件电路设计简单，软件功 能完善、灵敏度高、工作性好，并且具有尺寸小、方便携带的优点。 1

9、- 5 2 酒 精 气 体 检 测 系 统 的 国 内 外 发 展 现 状 和 方 向酒 精 浓 度 检 测 仪 主 要 是 用 来 检 测 酒 精 浓 度 的 ， 它 主 要 由 酒 精 传 感 器 、 模数转换器、 单片机、 LCD 显示、 键盘以及声音报警构成。 酒精 传感器将 检 测 到 的 酒 精 浓 度 转 化 为 电 信 号 ， 然 后 将 电 信 号 传 送 给 模 数 转 换 器 ， 经 过 模 数 转 换 器 转 换 后 ， 把 转 换 得 到 的 数 字 信 号 传 给 单 片 机 ， 单 片 机 对 所 输 入 的 数 字 信 号 进 行 分 析 处 理 ， 最 后 将

10、 分 析 处 理 的 结 果 通 过 显 示 器 显 示 出 来 。 由 于 不 同 的 环 境 对 酒 精 浓 度 的 要 求 也 不 一 样 ， 所 以 ， 可 以 通 过 键 盘 来 设 定 不 同 环 境 中 酒 精 浓 度 的 不 同 阀 值 ， 如 果 所 检 测 到 的 空 气 中 的 酒 精 浓 度 超 过了所设定的阀值， 那么单片机 将会控制蜂鸣器发出声音警报。 使用单片机来检测酒精气体有以下优点：（ 1） 数据采集系统以单片机为控制核心， 外围电路带有 LED 显示以 及 键 盘 响 应 电 路 ， 无 需 要 其 他 计 算 机 ， 用 户 就 可 以 与 之 进 行 交

11、 互工作， 完成数据的采集、 存储、 计算、 分析等。（ 2） 系统具有低功耗、 小型化、 高性价比等特点。（ 3） 键盘控制、 液晶显示， 使得仪表操作简单， 人机交互方便。（ 4 ） 软 件 系 统 采 用 汇 编 语 言 ， 在 兼 顾 实 时 性 处 理 的 同 时 也 很 方 便 地 进行数据处理（ 5） 测量精度高、 响应时间快， 能检测到 ppm 级的 酒精气 体浓度 。 单 片 机 不 同 于 一 般 计 算 机 主 要 是 实 现 高 速 海 量 的 运 算 ， 强 调 计 算 机 的运行速度，单片机由于受到储存空间的 制约只能写入一定大小的特定程序 ， 实 现 特 定 的

12、功 能 。 这 种 方 式 更 适 合 工 业 控 制 领 域 所 强 调 的 是 对 控 制 对 象 的 控 制 方 式 和 控 制 能 力 。 所 以 ， 单 片 机 的 应 用 意 义 远 不 限 于 它 的 应 用 范 畴 或 由 此 带 来 的 经 济 效 益 ， 更 重 要 的 是 它 已 从 根 本 上 改 变 了 传 统 的 控 制 方 法 和 设 计 思 想 ， 是 控 制 技 术 的 一 次 革 命 。 可 以 说 ， 二 十 世 纪 跨 越 了 三 个 “ 电 ” 的时代， 即电气时代、 电子时代和现已 进入的电脑时代。 不过， 这种电脑 ， 通常是指个人计算机，简称 P

13、C 机。它 由主机、键盘、显示器等组成。还有 一 类 计 算 机 ， 大 多 数 人 却 不 怎 么 熟 悉 。 这 种 计 算 机 就 是 把 智 能 赋 予 各 种 机 械的单片机（ 亦称微控制器 ）。 顾名思义， 这种计算机的最小系统只用 了一 片 集 成 电 路 ， 即 可 进 行 简 单 运 算 和 控 制 。 因 为 它 体 积 小 ， 通 常 都 藏 在 被 控 机 械 的 “ 肚 子 ” 里 。 它 在 整 个 装 置 中 ， 起 着 有 如 人 类 头 脑 的 作 用 ， 它 出 了 毛 病 ， 整 个 装 置 就 瘫 痪 了 。 现 在 ， 这 种 单 片 机 的 使 用

14、领 域 已 十 分 广 泛 ， 如 智 能 仪 表 、 实 时 工 控 、 通 讯 设 备 、 导 航 系 统 、 家 用 电 器 等 。 各 种 产 品 一 旦 用 上 了 单 片 机 ， 就 能 起 到 使 产 品 升 级 换 代 的 功 效 ， 常 在 产 品 名 称 前 冠 以 形 容词“ 智能型 ”， 如智能型洗衣机等。单片机广泛应用于各类智能化 设备， 大致可分如下几个范畴： 1 .测控系统 用 单 片 机 可 以 构 成 各 种 不 太 复 杂 的 工 业 控 制 系 统 、 自 适 应 控 制 系 统 、数据采集系统等 , 达到测量与控制的目的。 2 .智能仪表用单片机改造原有

15、的测量、控制仪表 , 促进仪表向数字化、智能化、多 功能化、 综合化、 柔性化方向发展。3 .机电一体化产品单 片 机 与 传 统 的 机 械 产 品 相 结 合 , 使 传 统 机 械 产 品 结 构 简 化 , 控 制 智能化。4 .智能接口在计算机控制系统 , 特别是在较大型的工业测、控 系统中 , 用 单片机进 行 接 口 的 控 制 与 管 理 , 加 之 单 片 机 与 主 机 的 并 行 工 作 , 大 大 提 高 了 系 统 的 运行速度。5. 智能民用产品 如 在 家 用 电 器 、 玩 具 、 游 戏 机 、 声 像 设 备 、 电 子 秤 、 收 银 机 、 办 公 设备

16、、厨房设备等许多 产品中, 单片机控制器的引入 , 不仅使产品的 功能大大 增强, 性能得到提高 , 而且获得了良好的使用效果。此 外 ， 单 片 机 在 工 商 ， 金 融 ， 科 研 、 教 育 ， 国 防 航 空 航 天 等 领 域 都 有 着 十分 广 泛 的 用 途 。 在 我 国 推 广 使 用 单 片 机 ， 具 有 特 别 重 要 的 意 义 .它 将 有 助 于我 国 各 行 各 业 的 技 术 改 造 和 产 品 的 更 新 换 代 .随 着 具 有 高 速 运 算 与 数 据 处理能力的 16 位单片机的出现 ，单 片机也开始渗透到数据处理的领域 。 6 - 1 0 当

17、今 智 能 电 子 密 码 锁 发 展 已 经 到 了 非 常 高 的 境 界 ， 国 外 单 片 机 发 展 现 状 由 于 电 子 元 件 特 别 是 单 片 机 应 用 在 这 几 年 得 到 空 前 发 展 ， 无 论 功 能 性 ， 稳 定 性 都 比 较 全 面 ， 在 保 密 方 面 已 做 到 人 眼 识 别 ， 指 纹 识 别 ， 单 片 机 开 发 板 人 声 识 别 基 本 上 电 影 上 有 的 现 实 也 有 。 在 国 外 发 展 比 较 早 ， 所 以 应 用 也 比 较 广 泛 ， 主 要 在 家 庭 装 较 贵 重 地 方 ， 银 行 ， 保 险 柜 等 应

18、用 较 多 ， 在 国 内这方面发展也较快， 不管自己开发或是 引进都有， 在重要地方应用也较多， 由于价钱比普通弹子锁较贵， 早几年应 用较少， 现在越来越普及到平常化， 未 来 的 发 展 也 会 越 来 越 被 大 众 采 用 ， 由 于 它 的 功 能 、 安 全 是 弹 子 锁 无 法 相 比 的 。 发 展 前 境 是 非 常 大 的 。 单 片 机 是 工 业 控 制 领 域 内 最 理 想 的 机 种 ， 在 国外已经得到了广泛应用。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

19、 不 可 缺 少 的 手 段 ， 气 体 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 。 近 年 来 ， 我 国 气 敏 传 感 器 产 业 有 了 较 快 的 发 展 ， 但 与 国 外 相 比 ， 从 技 术 水 平 ， 产 业 化 及 应 用 等 领 域

20、 均 存 在 着不小的差距。目 前 ， 气 敏 传 感 器 领 域 还 存 在 一 些 问 题 。 一 是 元 件 的 稳 定 性 差 。 由 于 元 件 电 阻 和 灵 敏 度 随 时 间 而 不 断 变 化 ， 漂 移 大 给 检 测 结 果 的 可 靠 性 带 来 不 稳 定 的 因 素 。 二 是 选 择 性 差 。 由 于 在 检 测 气 体 时 ， 往 往 还 存 在 着 其 它 的 干 扰 气体( 如烟酒等) ，使 气敏元件 发生交叉响应 ，产 生误报 。三 是催化剂中毒。 掺 有 催 化 剂 的 气 敏 元 件 接 触 某 些 气 体 后 ， 活 性 组 分 被 毒 化 ， 将

21、 会 改 变 元 件的 选 择 性 ， 降 低 其 敏 感 度 和 稳 定 性 ， 另 外 催 化 剂 本 身 也 存 在 着 不 稳 定 性 问 题 。 灵敏 度问 题。 四 是S nO2 元件有时由于灵敏度过大导致误报， 但 是在检 测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求 1 1 - 1 5 3 总 结综 上 所 述 ， 基 于 单 片 机 的 酒 精 气 体 检 测 系 统 ， 具 有 体 积 小 、 使 用 方 便 的特点 ，采 用 M Q-3 型酒精气体传感器对酒精气体浓度进行检测 ，并 通 过单 片 机 对 传 感 器 的 输 出 信 号 进 行 处 理 ， 最 终 进 行 显 示

22、 和 报 警 ， 达 到 自 动 检 测 的 目 的 。 软 件 部 分 采 用 模 块 化 设 计 ， 各 子 程 序 的 功 能 相 对 独 立 ， 便 于 实 时 的调试和修改。4 参 考 文 献1 张伟.单片机原理及应用M.北京:机械工业出版社,2002.2 施文康.检测技术M.北京:机械工业出版社, 2002.3 赵保经.微电子技术与新技术革命M.国防工业出版社, 1985.74 谢宜仁.单片机硬件接口电路及实例解析M.电子工业出版社，20095 薛永毅,姜余祥编著. 传感器技术及应用M.北京航空航天大学出版社, 2005 6 刘 崇 进 , 郑 大 防 . 气 体 传 感 器 的

23、发 展 概 况 和 发 展 方 向 J. 计 算 机 测 量 与 控 制.19997 沙占友. 智能传感器系统设计与应用M.电子工业出版社, 20048 刘广玉,陈明,吴志鹤等.新型传感器技术及应用M.北京航空航天大学.20049 林志琦.单片机原理接口及应用（c 语言版）M.北京： 中国水利水电出版 社,200710 纪宗南.单片机外围器件使用手册输入通道器件分册M.2005 11程佩青.数字信号处理教程M.清华大学出版社，2007.212 赵负图主编.信号采集与处理集成电路手册M.化学工业出版社, 2002 13 Samsung Electronies. S 3C44BOX Risc microprocessor data sheetM.200214Kugl, P,Krieger, E,Santiago E. Cleaner Diesels FullFlowSoot Filter Regeneration SystemJ. SAE Paper 91013315 J. Hennessy, N. Jouppi. Computer technology and architecture: an evolving interaction J. IEEE Computer Magazine, 1991, 24(1):18-29