毕业论文：酒精浓度检测仪的设计
体育运动的好处-
本科毕业论文
题
目
学
生
指导教师
年
级
专
业
系
别
酒精浓度监测仪的设计
郑重声明
本人的毕业论文（设计）是在指导教师
的指导下独立撰写完成的。
如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿
意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的
监督。特此郑
重声明。
毕业论文（设计）作者（签名）
：
2009
年
月
日
目
录
标题
<
/p>
.
............................
.....................................
1
中文摘要
.......................................
.......................
1
1
序言
.
..................................................
.............
1
2
酒精浓度监测仪硬件电路设计
...
.......................................
2
2.1
89C51
单片机系统
......
..........................................
2
2.1.1
单片机片内结构
.................................................
2
2.1.2
89C51
芯片介绍
.......
.........................................
..9
2.2
A/D
转换电路
.........
........................................
.. 3
2.2.1
ADC0809
的引脚及功能
...
.........................................
3
2.2.2
ADC0809
的结构及原理
...
.........................................
3
2.3
LED
显示电路
.........
...........................................
3
2.3.1
LED
显示器的结构
.......
.........................................
4
2.3.2
LED
显示器的工作原理
.....
.......................................
4
3
酒精浓度监测仪系统的软件设计
..
......................................
4
3.1
初始化程序
......................
...............................
5
3.2 A/D
转换子程序
.........................................
.........
5
3.3
显示子程序
......................
...............................
5
4
结论
............
..................................................
...
7
注释
........
..................................................
.........
7
参考文献
..................................................
.............
8
外文页．
< br>．
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< br>．
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．
11
酒精浓度监测仪的设计
摘
要
目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，
< br>以确定被
测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。酒精浓度监
测仪是一种以气敏传感器
和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能的空气
酒精浓度监测仪。其可监测出空气
环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值
，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。
此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定
环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆
炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，
确保环境安全。
关键词
单片机
酒精浓度监测仪
A/D
转换
声光报警
1
序言
随着经济高速发展，
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，需要设计一智能仪器能够
检测驾驶员体内酒精含量。本论文研究的是一种以气敏传感器和单
片机为主，监测空气酒
精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境
中酒精浓度值
，并可根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。
本课题分为两部分：硬件设计部分和软件设计部分。硬件部分为利用
MQ3
气敏传感器测量空气
中酒精浓度，并转换为电压信号经<
/p>
A/D
转换后传给单片机系统，由单片机及其外围电路进行信号的
处理，显示浓度值以及超阈值声光报警。软件部分用汇编语言进行编程，程序采用模块化
设计思想
。
各个子程序的功能相对独立，便于调试和修改。而硬
件电路又大体可分为单片机小系统电路、
A/D
转换电路、声光
报警电路、
LED
显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬
件电路设计部分详细
介绍；程序的设计使用汇编语言编程。
声光报警电路
被测
环境
气敏
传感器
A/D
转换
电路
单片机
LED
显示
键盘
图<
/p>
2-1
硬件方案总体框图
2
酒精浓度监测仪的硬件电路设计
硬件
设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是
0-5
伏的电压值
并且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输
出电压值经过
ADC0809
采集数据送入
单片机进行处理。酒精浓度监测仪的硬件电路设计主要包括：传感器测量电路、
89
C51
单片机系统、
A/D
转换电路、
声光报警电路、
LED
显示电路。酒精浓度监测仪硬件设计电路
框图如图
2-1
。
2.1 89C51
单片机系统
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力
(
如算术运算，逻辑运算、
数据传送、中断处理
)
的微处理器
(CPU)
，随
机存取数据存储器
(RAM)
，只读程序存储器
(ROM)
，输入
输出电路
(
I/O
口
)
，
可能还包括定时计数器，
串行通信口
(SCI)
，
显示驱动电路
(LCD
或<
/p>
LED
驱动电路
)
，
脉宽调制电路
(PWM)
，
模拟多路转换器及
A/D
转换器等电路集成到
一块单块芯片上，
构成一个虽小然
而完善的计算机系统。这些电
路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的
任务。
2.1.1
单片机片内结构
51
单片机的片内结构如图
2-2
所示。它把那些作为控制
应用所必需的基本内容都集成在一个尺
寸有限的集成电路芯片上。按功能划分，它有如下
功能部件组成：
⑴
微处理器（
CPU
）
。
⑵
数据存储器<
/p>
(RAM)
。
⑶
程序存储器（
ROM/EPROM
）
。
⑷
4
个
8<
/p>
位并行
I/O
口（
P0
口、
P1
口、
< br>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。
8
X
T
A
L
1
X
T
A
< br>L
2
CPU
（运算器）
（控制器）
串
行
口
定
时
器
/
计
数器
中
断
系
统
数据存储器
RAM
P0
P2
8
程序存储器
ROM/EPROM <
/p>
特
殊
功
能
寄存器
（
SFR
）
P1
P3
8
ALE
PSEN
EA
8
RESET
图
2-2
51
单片机片内结构
⑺
中断系统。
⑻
特殊功能寄存器（
SER
）
。
上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，
其基本结构依旧是
CPU
加上外围芯片的传统结
构模式。但
CPU
对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。下面
对框图
2-1
中
各功能部件作一简单介
绍：
1
、中央处理器
CPU
CPU
是单片机的核心部件，它通常由运算器、控制器和中断电路等器件组成
。
CPU
进行算术运算
和逻辑操作的字
长有
4
位、
8
位、
16
位和
32
位之分，
字长越长运算速度越快，
数据处理能力也越强。<
/p>
2
、存储器
在单片机内部，
ROM
和
RAM
存储器是分开制造的。通常，
ROM
存储器容量较大，
RAM
存储器的容
量较小，这是单片机用于控制的一大特点。
(1) ROM
存储器
ROM
存储器一般为
1-64K
字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。
(2)
RAM
存储器
通常，单片机片内<
/p>
RAM
存储器容量为
64-256
字节，最多可达
48K
字节。
RAM
存储器主要用来存
放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。
3
、中断系统
具有
5
个中断源，
2
级中断优先权。
4
、定时器
/
计数器
片内有
2
个
16
位的定时器
/
计数器，具有
4
种工作方式
。在应用中，往往需要精确的定时，或对
外部事件进行计数，因而需在单片机内部设置定
时器
/
计数器部件。
5
、
I/O
接口和特殊
功能部件
I/O
接口电路有串行和并
行两种。串行
I/O
用于串行通信，它可以把单片机内部的并行
8
位数
据
(8
位机
)
变成串行数据向外传送，
也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给
CPU
处理。并行
I/O
口电路可以使单片机和存
储器或外设之间并行地传送
8
位数据
(
8
位机
)
。通常，特
< br>殊功能部件包括：定时器、计数器、
A/D
、
D/A
、
DMA
通道
和系统时钟等电路。定时器、计数器用
于产生定时脉冲，以实现单片机的定时控制；
A/D
和
D/A
转
换器用于模拟量和数字量之间的相互转
换，以完成实时数据的采集和控制，
DMA
通道可以使单片机和外设之间实现数据的快速传送。总之，
某一单片机内部究竟包括哪些特殊功能部件以及特殊功能部件的数量是和它的型号有关的。
单片机是整个系统的核心，对系统起监督、管理、控制作用，并进行复
杂的信号处理，产生测
试信号及控制整个检测过程。所以在选择单片机时，参考了以下标
准。
(1)
运行速度。单片机运行速度一般和系统匹配即可。
(2)
存储空间。单片机内部存储器容量，外部可以扩展的存
储器
(
包括
I/0
Fl)
空间
(3)
单片机内部资源。单片机内部存储资源越多，系统外接
的部件就越少，这可提高系统的许
多技术指标。
(4)
可用性。指单片机是否能很容易地开发和利用，具体包
括是否有合适的开发工具，是否适
合于大批量生产、性能价格比，是否有充足的资源，是
否有现成的技术资源等。
(5)
特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉电保护、故障监视等。
<
/p>
从硬件角度来看，
与
MCS-51
指令完全兼容的新一代
AT89CXX
系列机
，
比在片外加
EPROM
才能相
当的
8031
单片机抗干扰性能强，与
87C51
单片机技能相当，但功耗小。程序修改直接用
+5V
或
+12V
电源擦除
，更显方便、而且其工作电压放宽至
2.7V-6V
，因而受电
压波动的影响更小，而且
4K
的程
序存
储器完全能满足单片机系统的软件要求，
故
AT89C51
单片机是构造本检测系统的更理想的选择。
2.1.2 89C51
芯片介绍
<
/p>
掌握
MCS-51
单片机，应首先了解<
/p>
MCS-51
的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能，
MCS-51
系列中各
种型号芯片的引脚是互相兼容的
。
制作工艺为
HMOS
的
MCS-51
的单片机都采用
40
< br>只引脚的双列直插
封装方式，如图
2-3
所示。
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.
7
RST
(RXD)
P3.0
(TXD) P3.1
(INT0)
P3.2
(INT1) P3.3
T0
P3.4
T1 P3.5
(WR)
P3.6
(RD) P3.7
XTAL1
XTAL2
GND
Vcc
P0.0 (AD0)
P0.1
(AD1)
P0.2 (AD2)
P0.3
(AD3)
P0.4 (AD4)
P0.5
(AD5)
P0.6 (AD6)
P0.7
(AD7)
EA/VPP
ALE/PROG
PSEN
P2.7 (A15)
P2.6
(A14)
P2.5 (A13)
P2.4
(A12)
P2.3 (A11)
P2.2
(A10)
P2.1 (A9)
P2.0
(A8)
PDIP
图
2-3
AT89C51
芯片管脚图
40
只引脚按其功能来分，可分为如下
3
类：<
/p>
⑴
电源及时
钟引脚：
Vcc
、
Vss
、
XTAL1
、
XTAL2
。
电源引脚接入单片机的工作电源。
Vcc
接
+5V
电源，
Vss
接地。
时钟引脚
XTAL1
、
XT
AL2
外接晶体与片内的反相放大器构成了
1
< br>个晶体振荡器，
它为单片机提供
了时钟控制信号。
2
个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。
X
TAL1
接外部的一个引脚。该引脚内部
是一个反相放大器的输
入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此
引脚接地。<
/p>
XTAL2
接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大
器的输出端。若采用外部
时钟振荡器时，该引脚接受时钟振荡器的信号，即把此信号直接
接到内部时钟发生器的输入端。
⑵
控制引脚：
PSEN
、
ALE
、
EA
、
RESET
（
RST
）。此
类引脚提供控制信号，有的还具有复用功
能。
①
RST/V
PD
< br>引脚：
RESET
（
RST
）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加
上
持续时间大于
2
个机器周期（
24
个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机工作
时，
此引脚应为≤
0.5V
低电平。
V
PD
为本引脚的第二功能，即备用电源的输入。当主电源发生故障，
降低到某一规定值的低电平时，将
+
5V
电源自动接入
RST
端，为内部<
/p>
RAM
提供备用电源，以保证片
内
RAM
的信息不丢失，从而使单片机在复位后能正常进行。
②
ALE/
PROG
引脚：
ALE
引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后
ALE
引脚不
断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，
AL
E
输出信号的负跳沿用于单片机发出的低
8
位
地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，
ALE
端仍有正脉冲信号输出，此
频率为时钟振荡器频
率的
1/6
。
PROG
为该引脚的第二功能。在对片内
EPROM
型单片机编程写入时，
此引脚作为编程脉冲输入端。
③
PSEN
< br>引脚：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉
冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的
OE
（输出允许端）。
④
EA
/V
PP
引脚：
EA
功能为片内程序存储器选择控制端。当
EA
引脚为高电平时，
单片机访问
片内程序存储器，
但在
PC
值超过
0FFFH
时，
即超出片内程序存储器的
4KB
地址范围时将自动转向
执
行外部程序存储器内的程序。
当
EA
引脚为低时，
单片机只访问外部程序存储器，
< br>不论是否有内部程
序存储器。
⑶
I/O
口引脚：
< br>P0
、
P1
、
< br>P2
、
P3
，为四个
8
位
I/O
口的外部引脚
。
P0
口、
P1
口、
P2
口、
P3
< br>口
是
3
个
8
位准双向的
I/O
口，各口线在片
内均有固定的上拉电阻。当这
3
个准双向
I/O
口作输入口
使用时，要向该口先写
1
，另外准双向口
I/O
口无高阻
的“浮空”状态。
由于单片机具有体积小、质量轻、价格便宜
、耗电少等突出特点，所以本系统采用
89C51
单片
机，硬件设计电路图如图
1
所示。
89C51
内部有
4KB
的
EPROM
，
128
< br>字节的
RAM
，所以一般都要根据
所需存储容量的大小来扩展
ROM
和
RAM
。本电路
EA
接高电平，没有扩
展片外
ROM
和
RAM
。
2.2
传感器的选择
由于本系统直接测量的
是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传
感器。考虑到周围
空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏
感，对其
他气体不敏感，故选用
MQ3
型气敏传感器。其有很高的灵敏度
、良好的选择性、长期的使
用寿命和可靠的稳定性。
MQ3
型气敏传感器由微型
Al2O3
，陶瓷管和
SnO2
敏感层、测量电极和加热
器构
成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，
加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作
条件。
传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以
准确反映传感器
表面电阻值的变化。传感器的表面电阻
RS
的变化，是通过与其串联的负载电阻
RL
上
的有效电压信
号
VRL
输出面获得的。
二者之间的关系表述为：
RS
／
RL=(VC-VRL)
／
VRL
，
其中
VC
为回路电压为
10V
。
负载电阻
RL
可调为
0
．
< br>5-200K
。
加热电压
Uh<
/p>
为
5v
。
上述这
些参数使得传感器输出电压为
0-5V
。
MQ3
型气敏传感器的结构和外形、
标准回路、
传感器阻值变化率与酒精浓度、
外界温度的关系图如图
2-4
所示。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测
量前需将传感器预
热
5
分钟。
图
2-4
传感器电路、结构及关系图
2.3 A/D
转换电路
在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，
须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后
才
能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为
< br>A/D
转换器（
ADC
）。
A/D
转换器大致分有三类：一是双积分
A/D
转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，
但速度慢；二是逐次逼近式
A/D
转换器，精
度、速度、价格适中；三是并行
A/D
转换器，速度快，
价格也昂贵。
该设计中选用的是
ADC0809
属第二类，是
8
< br>位
A/D
转换器。每采集一次需
100
μ
s
。
0809
具有
8
路模拟信号输入端口，
地址线（
23-25
脚）可决定那一路模拟信号进行
A/D
转换。
22
脚为地
址锁存
控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。
6
脚为测试控制，当输入一个
2
μ
s
的高电平脉冲
时，
就开
始
A/D
转换。
7
引脚为
A/D
转换结束标志，
当<
/p>
A/D
转换结束时，
7
< br>脚输出高电平。
9
脚为
A/D<
/p>
转换数据输出允许端，当
OE
脚为高电平
时，
A/D
转换数据输出。
10
脚为
0809
的时钟输入端。
2.3.1
ADC0809
的引脚及功能