一、前言

近年來，我國越來越多的人有了自己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻繁發生。為此，我國將酒駕列入刑法范圍內，所以需要設計一智能儀器能夠檢測駕駛員體內酒精含量。本課程設計研究的是一種以氣敏傳感器和單片機A/D轉換器為主，檢測駕駛員呼出氣體的酒精濃度，并具有聲光報警功能的空氣酒精濃度監測儀。其可檢測出空氣環境中酒精濃度值，并可根據不同的環境設定不同的閾值，對超過的閾值進行聲光報警來提示危害。

本課題分為兩部分：硬件設計部分和軟件設計部分。硬件部分為利用MQ3氣敏傳感器測量空氣中酒精濃度，并轉換為電壓信號，經A/D轉換器轉換成數字信號后傳給單片機系統，由單片機及其相應外圍電路進行信號的處理，顯示酒精濃度值以及超閾值聲光報警。程序采用模塊化設計思想，各個子程序的功能相對獨立，便于調試和修改。而硬件電路又大體可分為單片機小系統電路、A/D轉換電路、聲光報警電路、LCD液晶顯示電路，按鍵電路，各部分電路的設計及原理將會在硬件電路設計部分詳細介紹。

二、酒精測試儀總體方案設計

2.1 酒精濃度檢測儀設計要求分析

設計的酒精濃度測試儀應具有如下特點：

（1）數據采集系統以單片機為控制核心，外圍電路帶有LCD顯示以及鍵盤響應電路，無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數據的采集、存儲、計算、分析等過程。

（2）系統具有低功耗、小型化、高性價比等特點。

（3）從便攜式的角度出發，系統成功使用了數碼管顯示器以及小鍵盤。由單片機系統控制鍵盤和LCD顯示來實現人機交互操作，界面友好。

（4）軟件設計簡單易懂。

2.2 酒精濃度檢測儀設計方案

設計時，考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉換為電量，傳感器輸出的是0-5伏的電壓值且電壓值穩定，外部干擾小等。因此，可以直接把傳感器輸出電壓值經過A/D轉換器轉換得到數據送入單片機進行處理。此外，還需接入液晶顯示，鍵盤設定，報警電路，語音電路等。

其總體框圖如圖2-1所示。

圖2-1 基本工作原理圖

三、硬件設計

3.1 傳感器的選擇

本系統直接測量的是呼氣中的酒精濃度，再轉換為血液中的酒精含量濃度，故采用氣敏傳感器。考慮到周圍空氣中的氣體成分可能影響傳感器測量的準確性，所以傳感器只能對酒精氣體敏感，對其他氣體不敏感，故選用MQ3型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩定性。MQ3型氣敏傳感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標準回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻RS的變化，是通過與其串聯的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出面獲得的。負載電阻RL可調為0．5-200K。加熱電壓Uh為5v。上述這些參數使得傳感器輸出電壓為0-5V。MQ3型氣敏傳感器的結構和外形、標準回路、傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系圖如圖3-3所示。為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預熱5分鐘。

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圖3-1 MQ3 結構和外形

圖3-3 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系

3.2 A/D轉換電路

在單片機應用系統中，被測量對象的有關變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，須經傳感器轉換成連續變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉換成數字量后才能在單片機中用軟件進行處理。實現模擬量轉換成數字量的器件稱為A/D轉換器（ADC）。

A/D轉換器大致分有三類：一是雙積分A/D轉換器，優點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D轉換器，精度、速度、價格適中；三是∑-△A/D轉換器。

該設計中選用的是ADC0809屬第二類，是8位A/D轉換器。0809具有8路模擬信號輸入端口，地址線（23-25腳）可決定那一路模擬信號進行A/D轉換。22腳為地址鎖存控制，當輸入為高電平時，對地址信號進行鎖存。6腳為測試控制，當輸入一個2μs的高電平脈沖時，就開始A/D轉換。7引腳為A/D轉換結束標志，當A/D轉換結束時，7腳輸出高電平。9腳為A/D轉換數據輸出允許端，當OE腳為高電平時，A/D轉換數據輸出。10腳為0809的時鐘輸入端。

3.2.1 ADC0809的引腳及功能

逐次比較型A/D轉換器在精度、速度、和價格上都適中，是最常用的A/D轉換器件。芯片采用的是ADC0809，以下介紹ADC0809的引腳及功能。芯片如圖3-4所示。

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圖3-4 ADC0809的引腳

ADC0809是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數字量輸出的A/D轉換器。由圖可見，ADC0809共有28個引腳，采用雙列直插式封裝。主要引腳功能如下：

⑴ IN0-IN7是8路模擬信號輸入端。

⑵ D0-D7是8位數字量輸入端。

⑶ A、B、C與ALE控制8路模擬通道的切換，A、B、C分別與3根地址線或數據線相連，3位編碼對應8個通道地址端口。

ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說明各引腳功能。

IN0～IN7：8路模擬量輸入端。

2-1～2-8：8位數字量輸出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路

ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。

START： A/D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換）。

EOC： A/D轉換結束信號，輸出，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。

OE：數據輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態門，輸出數字量。

CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：基準電壓。

Vcc：電源，單一+5V。

GND：地。

首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變為高電平，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上。

轉換數據的傳送 A/D轉換后得到的數據應及時傳送給單片機進行處理。數據傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。為此可采用下述三種方式。

（1）定時傳送方式

對于一種A/D轉換器來說，轉換時間作為一項技術指標是已知的和固定的。例如ADC0809轉換時間為128μs，相當于6MHz的MCS-51單片機共64個機器周期。可據此設計一個延時子程序，A/D轉換啟動后即調用此子程序，延遲時間一到，轉換肯定已 經完成了，接著就可進行數據傳送。

（2）查詢方式

A/D轉換芯片有表明轉換完成的狀態信號，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測試EOC的狀態，即可確認轉換是否完成，并接著進行數據傳送。

（3）中斷方式

把表明轉換完成的狀態信號（EOC）作為中斷請求信號，以中斷方式進行數據傳送。

不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉換完成，即可通過指令進行數據傳送。首先送出口地址并以信號有效時，OE信號即有效，把轉換數據送上數據總線，供單片機接受。

需要注意的是：ADC0809雖然有8路模擬通道可以同時輸入8路模擬信號，但每個瞬間只能換1路，共用一個A/D轉換器進行轉換，各路之間的切換由軟件改變C、A、B引腳上的代碼來實現。地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉換結果通過三態輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統數據總線相連，圖3-5為通道選擇表。

圖3-5 通道選擇表

⑷ OE、START、CLK為控制信號端，OE為輸出允許端，START為啟動信號輸入端，CLK為時鐘信號輸入端。

⑸ VR(+)和VR(-)為參考電壓輸入端。

3.2.2 ADC0809的結構及轉換原理

ADC0809的結構框圖如圖3-6。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的+5V電源供電。片內有鎖存功能的8路選1的模擬開關，由C、B、A引腳的功能來決定所選的通道。0809完成一次轉換需100μs左右，輸出具有TTL三態鎖存緩沖器，可直接連接到MCS-51的數據總線上。

通過適當的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。