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酒精浓度检测仪的设计

一、前言

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、气体色谱分析型、红外线型、比色型。但由于价格和使用方便的原因，常用

的只有燃料电池型和半导体型两种。

燃料电池作为一种发电装置，它的原理是将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接

转化为电能。当前各国家都在广泛研究环保型能源，因为它直接可以把可燃气体转变成

电能，并且不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一方面应用。与半导体型的相比，

燃料电池型呼气酒精检测仪有很多优势，即稳定性好，精度高，抗干扰性好。但是燃料

电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，并且材料成本高，价格昂贵。

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核心技术的酒精浓度检测仪是在技术上是一大突破，提高了

检测酒精的精确度，社会公共安全系数也大大的提高。

但是现在大部分一般的酒精浓度检测仪价格低的灵敏度低，准确度高的售价也比较

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。为了得到准确的浓

度数值，在 LED 显示酒精浓度数值上应实现普及。同时很多其他气体会可能会对检测

的结果产生影响，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上

也待提升。现在大多都是对气体浓度或液体浓度的单一检测，最好是能解决一个检测仪

能同时对酒精的气体和液体两种状态下的检测。

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A/D 转换器转换成数字信号后传给单片

机系统，由单片机及其相应外围电路进行信号的处理，显示酒精浓度值以及超阈值声光

报警。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，

按键电路，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。

二、酒精测试仪总体方案设计

2.1 酒精浓度检测仪设计要求分析

设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点：

（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互工作，完成数据的采集、存储、计算、分

析等过程。

（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。

（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。由单片机系

统控制键盘和LED显示来实现人机交互操作，界面友好。

（4）软件设计简单易懂。

2.2 酒精浓度检测仪设计方案

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A/D转

换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接人LED显示，4*4键盘，报警电路

等。

其总体框图如图2-1所示。

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2-1 基本工作原理图

三、硬件设计

3.1 传感器的选择

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。负载电阻 RL 可调为 0．5-200K。加热电压 Uh 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 3-3 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。

3.2 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 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；二是逐次逼近型 A/D 转换器，精度、速度、价格适中；三是∑-

△A/D 转换器。

该设计中选用的是 ADC0809 属第二类，是 8 位 A/D 转换器。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 2μs

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 A/D 转换结束时，7

脚输出高电平。9 脚为 A/D 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。

3.2.1 ADC0809 的引脚及功能

逐次比较型 A/D 转换器在精度、速度、和价格上都适中，是最常用的 A/D 转换器件。

芯片采用的是 ADC0809，以下介绍 ADC0809 的引脚及功能。芯片如图 3-4 所示。

图 3-4 ADC0809 的引脚

ADC0809 是一种逐次比较式 8 路模拟输入、8 位数字量输出的 A/D 转换器。由图可

见，ADC0809 共有 28 个引脚，采用双列直插式封装。主要引脚功能如下：

⑴ IN0-IN7 是 8 路模拟信号输入端。

⑵ D0-D7 是 8 位数字量输入端。

⑶ A、B、C 与 ALE 控制 8 路模拟通道的切换，A、B、C 分别与 3 根地址线或数据线

相连，3 位编码对应 8 个通道地址端口。

需要注意的是：ADC0809 虽然有 8 路模拟通道可以同时输入 8 路模拟信号，但每个

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