酒精浓度检测仪（精选九篇）
酒精浓度检测仪 篇1
综观现有的酒精检测器, 系统实现方案上大部分以单片机为基础, 并借助相应的外围电路, 将检测结果通过LED、LCD等显示方式告知使用者。
本设计基于STC12C5A16AD单片机设计的酒精气体浓度探测仪, 可用来检测酒精气体浓度, 酒精气体浓度测试仪在生产生活中有重要的应用, 比如, 在一些环境要求严格的生产车间, 用这种酒精浓度探测仪, 可随时检测车间内的酒精气体浓度, 当酒精气体浓度高于允许限定值时, 发出警报, 提醒人们及时通风换气, 做到安全生产, 此酒精测试仪经过再一步的改进可以使用到酒后驾驶测试上面去, 利用该测试仪来告诫驾驶员请勿酒后驾驶。
在这次的设计中, 我利用了MQ-3型酒精的传感器通过对空气中的酒精浓度测试转换成0～5V的模拟量电压进行输出, 把这个0～5V的电压传送到STC12C5A16AD内部自带的A/D转换模块中去, 通过模拟量模块的转换输出一个8位0～255的数据给单片机的P1口, 再通过单片机进行一些软件程序的处理显示在LCD的液晶上面。
该设计需要重点解决的问题是对酒精浓度的实时检测, 还有就是各部分电路组合成一个完整的酒精浓度检测系统, 而难点解决的问题就是酒精浓度检测阈值的调节以及超出阈值如何自动报警, 要保证其可行性从而保证设计的正确性。在整个系统的制作过程中, 软件部分的设计是一个很大的问题, 调试了较长的时间, 最后得到相对稳定的效果。
单片机系统电路图
本设计软件主程序流程图如下图所示。
源程序代码 (部分) :
上电后该酒精检测仪将按照初始化的程序进行工作, 酒精浓度阈值为当初设定的, 超过阈值则会产生报警。一旦有设定酒精浓度阈值的按键按下, 并且检测按键按下的次数, 则酒精浓度的阈值即被重新设定, 在没被下一次设定前, 实时检测的酒精浓度将与它进行比较, 超过该界限值即报警, 同时酒精浓度值一直将会显示出来。
本次基于单片机的酒精浓度检测仪设计在硬件设计上还是花费了一些时间, 在硬件上对于单片机选型是一门学问, 本次设计中必须要用到的两样东西是ADC和串口, 那么ATMEL公司的AT89C51系列的单片机不具备自带ADC功能, 必须外接ADC0809如此一来在硬件的设计上又增加了新的难度, 为了简化电路, 提高成功率我选择了STC系列单片机具体型号为STC12C5A16AD, 此型号单片机自带8位高速ADC经过软件编程设计即可派上用场, 这样大大减轻了设计压力。
摘要：本文介绍的是一款智能酒精浓度检测仪的设计方案, 以STC12C5A16AD单片机和酒精传感器MQ-3为核心, 具有二极管报警和LCD显示功能。本设计根据不同的环境使用按键设置不同的阀值, 同时完成了硬件的焊接以及软件部分程序的调试。
关键词：检测仪,酒精浓度,阀值,STC12C5A16AD
参考文献
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酒精浓度测试仪[范文] 篇2
一、设计意义
自《刑法修正案(八)》和修改后的《道路交通安全法》正式实施，“醉酒驾驶”正式入刑。不仅交警部门，而且很多车主都期盼能够有便携仪器方便地测量气体酒精浓度，为安全驾驶提供保障，有效减少重大交通事故的发生。本研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工具，采用高精度MQ-3乙醇气体传感器对空气中的乙醇浓度进行检测，利用宏晶公司高性能低成本单片机STC89C52对检测信号进行A/D转换和处理，最后通过液晶屏显示输出。本研究设计的酒精浓度测试仪还具有醉酒阈值设定功能，可以根据法律法规或用户需要设定修改醉酒阈值，并进行保存。
二、硬件设计
1、设计框图
本研究设计的酒精浓度测试仪框图如图1所示。MQ-3乙醇气体传感器输出信号经信号调理电路处理，输出随乙醇浓度变化的电压信号，该电压信号送入单片机系统，经AD转换，与设定的醉酒阈值进行比较，并显示或报警。
MQ-3传感器模块MQ-3气体传感器信号调理电路模拟电压信号STC12C5A16AD单片机模/数转换电压/酒精浓度转换醉酒阈值阈值比较外部EEPROM酒精浓度显示过阈报警图1 酒精浓度测试仪方框图
2、乙醇信号检测及调理电路
MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其技术特点为：
对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性 快速的响应恢复特性
长期的寿命和可靠的稳定性 简单的驱动回路
主要技术指标：
MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线如图2所示，其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。
图2 MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线
MQ-3乙醇气体传感器管脚与测试电路如图3所示。
(a)管脚图(b)测试电路
图3 MQ-3乙醇气体传感器管脚及测试电路
MQ-3乙醇气体传感器及其调理电路原理如图4所示。其外形如图5所示。经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。
图4 传感器及调理模块原理图
该传感器模块具有如下特点，方便与单片机系统接口组成检测仪器。 具有信号输出指示。
双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）TTL输出有效信号为低电平。
(当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机)
模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。
3、单片机电路
本设计选用宏晶公司高性能单片机STC89C52，其管脚如图6所示。
图6 STC89C52单片机管脚图
该芯片为52内核8位单片机，适用于常用检测电路。由STC89C52组成的单片机系统原理图如图7所示。图中AOUT为MQ-3传感器模块输出的检测电压信号，送入ADC0832采集芯片端口进行处理，该信号可以根据乙醇气体浓度直接输出报警信号，报警阈值通过模块上的电位器进行调节。
图7 单片机系统原理图
图7中，按键K2和K3为醉酒阈值调整键，其中K2为“增加”，K3为“减小”按键。L2和L3为报警指示灯，分别可以进行酒后和醉酒两级报警。
4、显示电路
显示部分采用SMC 1602液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：
表1 液晶屏技术指标
接口信号说明如表2所示。
表2 液晶屏接口信号说明
与单片机接口电路如图8所示。其中J2的3脚为背光引脚，R9和R10电阻用于调节背光亮度。J2的4、5、6引脚分别接液晶的RS、E/W和E控制引脚，J2的7—14引脚为数据引脚。
图8 LCD与单片机接口电路
5、供电及程序下载电路
本设计采用电池盒接口供电，电源电压5V。同时，其电路原理如图10所示。
图10 供电及程序下载电路
三、Protel硬件开发软件
Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。它集成了软件界面、仿真功能和PLD设计和信号完整性分析，在此基础上Protel 99SE又增加了一些新的功能，用户使用更加方便灵活。Protel的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。它以其强大功能和实用性，逐渐获得广大硬件设计人员的青睐，是目前众多EDA设计软件中用户最多的产品之一。1．Protel软件组成
Protel软件主要由电路原理图设计模块、印制电路板设计模块（PCB设计模块）、电路信号仿真模块和PLD逻辑器件设计模块等组成，各模块具有强大的功能，可以很好的实现电路设计与分析。
(1)原理图设计模块（Schematic模块）
电路原理图是表示电气产品或电路工作原理的重要技术文件，电路原理图主要由代表各种电子器件的图形符号、线路和结点组成。图4.1所示为一张电路原理图。该原理图是由Schematic模块设计完成的。Schematic模块具有如下功能：丰富而灵活的编辑功能、在线库编辑及完善的库管理功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。
(2)印制电路板设计模块（PCB设计模块）
印制电路板（PCB）制板图是由电路原理图到制作电路板的桥梁。设计了电路原理图后，需要根据原理图生设计成印制电路板的制板图，然后在根据制板图制作具体的电路板。印制电路板设计模块具有如下主要功能和特点：可完成复杂印制电路板（PCB）的设计；方便而又灵活的编辑功能；强大的设计自动化功能；在线式库编辑及完善的库管理；完备的输出系统等。
(3)电路信号仿真模块
电路信号仿真模块是一个功能强大的数字/模拟混合信号电路仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。它运行在Protel的EDA/Client集成环境下，与Protel Advanced Schematic原理图输入程序协同工作，作为Advanced Schematic的扩展，为用户提供了一个完整的从设计到验证仿真设计环境。
在Protel中进行仿真，只需从仿真用元器件库中放置所需的元器件，连接好原理图，加上激励源，然后单击防真按钮即可自动开始。2．PCB板设计
(1)定元件的封装
① 打开网络表（可以利用一些编辑器辅助编辑），将所有封装浏览一遍，确保所有元件的封装都正确无误并且元件库中包含所有元件的封装，网络表中所有信息全部大写，一面载入出问题，或PCB BOM不连续。
② 标准元件全部采用公司统一元件库中的封装。
③ ④⑥⑤元件库中不存在的封装，应自己建立元器件库。(2)建立PCB板框
① 根据PCB结构图，或相应的模板建立PCB文件，包括安装孔、禁布区等相关信息。
② 尺寸标注。在钻孔层中应标明PCB的精确结构，且不可以形成封闭尺寸标注。
(3)载入网络表 ① 载入网表并排除所有载入问题，具体请看《PROTEL技术大全》。其他软件载入问题有很多相似之处，可以借鉴。
② 如果使用PROTEL，网表须载入两次以上（没有任何提示信息）才可以确认载入无误。
(4)布局
① 首先要确定参考点。
一般参考点都设置在左边和底边的边框线的交点（或延长线的交点）上或印制板的插件的第一个焊盘。
② 一但参考点确定以后，元件布局、布线均以此参考点为准。布局推荐使用25MIL网格。
③ 根据要求先将所有有定位要求的元件固定并锁定。④ 布局的基本原则
A.遵循先难后易、先大后小的原则。
B.布局可以参考硬件工程师提供的原理图和大致的布局，根据信号流向规律放置主要原器件。
C.总的连线尽可能的短，关键信号线最短。
D.强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。E.高频元件间隔要充分。F.模拟信号、数字信号分开。
⑤ 相同结构电路部分应尽可能采取对称布局。
⑥ 按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。(5)PCB设计遵循的规则 ① 地线回路规则：
图11 地线回路规则
环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将留下的部分用参考地填充，且增加一些必要的过孔，将双面信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面信号回路问题，建议采用多层板为宜。
② 窜扰控制
窜扰（CrossTalk）是指PCB上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。克服窜扰的主要措施是：
A.加大平行布线的间距，遵循3W规则。B.在平行线间插入接地的隔离线。C.减少布线层与地平面的距离 ③ 屏蔽保护
图12 屏蔽保护
对应地线回路规则，实际上也是为了尽量减小信号的回路面积，多用于一些比较重要的信号，如时钟信号，同步信号；对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合。
④ 走线方向控制规则
相邻层的走线方向成正交结构，避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间窜扰；当由于板结构限制（如某些背板）难以避免出现该情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线。
⑤ 电源与地线层的完整性规则
对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接，形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线在地层 的回路面积增大。
四、软件编程
1、软件流程图
本设计软件主程序流程图如图13所示。
数据初始化定时器初始化A/D转换初始化显示初始化进入后台while循环触发A/D转换换算酒精浓度酒精浓度显示超过阈值吗？否酒精浓度显示是报警有键按下吗？否是按键处理 图13 主程序流程图
2、主程序
下面介绍main.c主程序编写，其他程序略。
(1)头文件和一些宏定义
#include
//调用单片机头文件 #define uchar unsigned char //无符号字符型 宏定义
变量范围0~255 #define uint unsigned int //无符号整型 宏定义 变量范围0~65535
#include
sbit CS=P2^4;//CS定义为P2口的第4位脚，连接ADC0832CS脚 sbit SCL=P2^3;//SCL定义为P2口的第3位脚，连接ADC0832SCL脚 sbit DO=P2^2;//DO定义为P2口的第4位脚，连接ADC0832DO脚
sbit beep = P3^2;
//蜂鸣器IO口定义 long dengji,s_dengji = 50;
//酒精等级
bit flag_300ms;uchar key_can;
//按键值的变量 uchar menu_1;
//菜单设计的变量 uchar flag_clock;#include “eeprom52.h”
#include “lcd1602.h”
/***********************1ms延时函数*****************************/ void delay_1ms(uint q){ uint i,j;for(i=0;i for(j=0;j<120;j++);} /******************把数据保存到单片机内部eeprom中******************/ void write_eeprom(){ SectorErase(0x2000);// byte_write(0x2000, s_dengji);byte_write(0x2001, s_dengji);byte_write(0x2060, a_a);} /******************把数据从单片机内部eeprom中读出来*****************/ void read_eeprom(){ // s_dengji = byte_read(0x2000);s_dengji = byte_read(0x2001);a_a = byte_read(0x2060);} /**************开机自检eeprom初始化*****************/ void init_eeprom(){ read_eeprom();//先读 if(a_a!= 2)//新的单片机初始单片机内问eeprom { s_dengji = 80; a_a = 2; write_eeprom();} } /***********读数模转换数据********************************************************/ //请先了解ADC0832模数转换的串行协议，再来读本函数，主要是对应时序图来理解，本函数是模拟0832的串行协议进行的 // 1 0 0 通道 // 1 1 1 通道 unsigned char ad0832read(bit SGL,bit ODD){ unsigned char i=0,value=0,value1=0; SCL=0; DO=1; CS=0;//开始 SCL=1;//第一个上升沿 SCL=0; DO=SGL; SCL=1; //第二个上升沿 SCL=0; DO=ODD; SCL=1; //第三个上升沿 SCL=0; //第三个下降沿 DO=1; for(i=0;i<8;i++) { SCL=1; SCL=0;//开始从第四个下降沿接收数据 value<<=1; if(DO) value++; } for(i=0;i<8;i++) { //接收校验数据 value1>>=1; if(DO) value1+=0x80; SCL=1; SCL=0; } CS=1; SCL=1; if(value==value1) //与校验数据比较，正确就返回数据，否则返回0 return value;return 0;} /*************定时器0初始化程序***************/ void time_init() { EA = 1; //开总中断 TMOD = 0X01; //定时器0、定时器1工作方式1 ET0 = 1; //开定时器0中断 TR0 = 1; //允许定时器0定时 } /****************按键处理显示函数***************/ void key_with(){ if(key_can == 1){ s_dengji ++; //酒精浓度设置数加1 if(s_dengji > 999) s_dengji = 999;} if(key_can == 2){ s_dengji-= 1;//酒精浓度设置数减1 if(s_dengji <= 1) s_dengji = 1;} write_sfm2(2,9,s_dengji); //显示酒精等级 write_eeprom(); //保存数据 } /********************独立按键程序*****************/ uchar key_can;//按键值 void key()//独立按键程序 { static uchar key_new;key_can = 20; //按键值还原 P1 |= 0x0f;if((P1 & 0x0f)!= 0x0f)//按键按下 { delay_1ms(1); //按键消抖动 if(((P1 & 0x0f)!= 0x0f)&&(key_new == 1)) { //确认是按键按下 key_new = 0; switch(P1 & 0x0f) { case 0x0b: key_can = 2;break; //得到k3键值 case 0x07: key_can = 1;break; //得到k4键值 } } } else key_new = 1;} /****************报警函数***************/ void clock_h_l(){ static uchar value;if(dengji >= s_dengji)//报警 { value ++; if(value >= 2) { value = 10; beep = ~beep;//蜂鸣器报警 } }else { if(dengji < s_dengji) //取消报警 { value = 0; beep = 1; } } } /***************主函数*****************/ void main(){ beep = 0; //开机叫一声 delay_1ms(150);P0 = P1 = P2 = P3 = 0xff;//单片机IO口初始化为1 init_eeprom(); //读eeprom数据 time_init(); //初始化定时器 init_1602();while(1){ key(); //独立按键程序 if(key_can < 10) { key_with(); //按键按下要执行的程序 } if(flag_300ms == 1) { flag_300ms = 0; clock_h_l(); //报警函数 dengji = ad0832read(1,0); dengji = dengji * 450 / 255.0; dengji = dengji-130; //首先减去零点漂移，一般是1V if(dengji < 0) dengji = 0; dengji = dengji * 2; //将mV转变成mg/L，系数需要校准 //电压每升高0.1V，实际被测气体的浓度增加20ppm //1ppm=1mg/kg=1mg/L=1×10-6 常用来表示气体浓度，或者溶液浓度。 write_sfm2(1,9,dengji); //显示酒精浓度 } } } /*************定时器0中断服务程序***************/ void time0_int()interrupt 1 { } static uchar value;TH0 = 0x3c;TL0 = 0xb0; // 50ms value ++; if(value % 6 == 0){ flag_300ms = 1; //300ms value = 0;} 五、下载与调试 当程序在uVision环境下编写完成，并编译生成.hex文件后，就可以下载并进行调试了。 1、USB转串口驱动安装 打开USB驱动文件夹下的PL2303_Prolific_DriverInstaller_v130.exe安装文件，按提示安装USB转串口驱动程序。安装完成后，插入USB下载线后，在[开始]-[控制面板]-[打印机和其他硬件]-[设备管理器]，在“端口”分支下有（Prolific USB-to-Serial Comm Port(COMX)。X表示串口号，如果没有说明USB转串口驱动没有安装，须重新安装。记住括号里的COM口号。 图14 成功安装USB转串口驱动示意图 2、下载程序 打开STC单片机下载软件文件夹，点击运行STC_ISP_V481.exe程序，出现如下界面。 图15 下载软件 正确选择MCU 类型，COM口（与刚才安装的COM号一致），最高波特率和最低波特率都选2400bps或者1200bps（下载线内PL2303芯片所限，没办法！），并打开正确的.hex数据文件。 点击“Download/下载”按纽，窗口出现提示： Chinese:正在尝试与 MCU/单片机 握手连接...Connection is failure.You can try: 1.Give your MCU Power On Reset.2.Stop operation, then re-select COM Port.3.Because PLCC-DIP/PQFP-DIP Socket trace too long.4.Update the STC ISP.exe version.5.If still error, your MCU Firmware is error or null.Chinese:连接失败，请尝试以下操作： 1.在单片机停电状态下，点下载按钮，再给单片机上电 2.停止下载，重新选择 RS-232 串口, 接好电缆 3.可能需要先将 P1.0/P1.1 短接到地 4.可能外部时钟未接 5.因 PLCC、PQFP 转换座引线过长而引起时钟不振荡，请 调整参数 6.可能要升级电脑端的 STC ISP.exe 软件 7.若仍然不成功，可能 MCU/单片机内无 ISP 系统引导码，或需退回升级，或 MCU 已损坏 8.若使用 USB 转 RS-232 串口线下载，可能会遇到不兼容的问题，可以让我们帮助购买兼容的 USB 转 RS-232 串口线 仍在连接中, 请给 MCU 上电...按下电路板上的电源按纽，保证其有个失电至上电的过程，则窗口显示开始烧录芯片。 95％的酒精用做燃料 医疗单位常需使用酒精灯、酒精炉，点燃后用于配制化验试剂或药品制剂的加热，也可用其火焰临时消毒小型医疗器械。 70％～75％的酒精用于灭菌消毒 70％～75％的酒精用于包括皮肤消毒、医疗器械消毒、碘酒的脱碘等。有人以为，酒精浓度越高，消毒效果越好，这是错误的。酒精消毒的作用是凝固细菌体内的蛋白质，从而杀死细菌。但95％的酒精能将细菌表面包膜的蛋白质迅速凝固，并形成一层保护膜，阻止酒精进入细菌体内，因而不能将 细菌彻底杀死。如果酒精浓度低于70％，虽可进入细菌体内，但不能将其体内的蛋白质凝固，同样也不能将细菌彻底杀死。只有70％～75％的酒精既能顺利地进入细菌体内，又能有效地将细菌体内的蛋白质凝固，因而可彻底杀死细菌。 用70％～75％的酒精消毒医疗器械应当用浸泡的方法，时间不得少于30分钟；浸泡消毒后应用无菌生理盐水冲洗，避免器械上的残余酒精刺激机体组织。 因为酒精只能杀死细菌，不能杀死芽孢和病毒，所以，医疗注射或手术前的皮肤消毒常使用效果更好的碘酒。为了减少碘对皮肤的刺激，一般在用碘酒消毒后，用75％的酒精脱去碘。 由于酒精具有一定的刺激性，75％的酒精可用于皮肤消毒，但不可用于黏膜和大创面的消毒。 40％～50％的酒精用于预防褥疮 长期卧床患者的背、腰、臀部因长期受压可引发褥疮，而且褥疮一旦形成很难愈合，其预防的方法就是要勤翻身、勤擦洗、勤按摩。 按摩时，护理人员会将少量40％-50％的酒精倒人手中，均匀地按摩患者受压部位，以达到促进局部血液循环、防止褥疮形成的目的。 25％-50％的酒精用于物理退热 高热患者除药物治疗外，最简易、有效、安全的降温方法就是用25％～50％的酒精擦浴的物理降温方法。用酒精擦拭患者皮肤时，不仅可刺激高热患者的皮肤血管扩张，增加皮肤的散热能力，还由于其具有挥发性，可吸收并带走大量的热量，使体温下降、症状缓解。 具体方法：将纱布或柔软的小毛巾用酒精蘸湿，拧至半干，轻轻擦拭患者的颈部、胸部、腋下、四肢和手心、脚心。擦浴用酒精浓度不可过高，否则大面积地使用高浓度的酒精可刺激皮肤。 本设计涉及的元器件主要有以下四种, 下面介绍以下这些元器件: ⑴MQ-3气体传感器。在MQ-3气体传感器中, 起到核心作用的气敏材料是二氧化锡, 这种材料在清洁的空气中体现的电导率比较低, 当把MQ-3置于存在酒精蒸汽有变化的环境时, 传感器的电导率也出现变化, 随着环境中酒精蒸汽浓度的增加传感器电导率增大。通过相应的电路就可以将电导率的变化转化为与酒精蒸汽浓度相对应的信号。 ⑵STC12C5A16AD单片机。STC12C5A16AD是宏晶科技公司生产的新一代高性能8051单片机, 它集成了10位多路A/D转换模块, 包含了采集数据和系统控制过程中所需的几乎所有单元模块, 由中央处理器、数据存储器、UART串口、程序存储器、外部晶振振荡等模块、I/O接口、定时/计数器、串口2、高速A/D转换、SPI接口和片内R/C振荡器组成。在本设计中, 将由MQ-3传感器采集的信号, 送入ADC7端口进行处理, 根据乙醇蒸汽的浓度, 可以输出报警信号。 ⑶LCD1602显示模块。本设计选择的1602字符型LCD作为显示模块, 它是具有14条引脚线或16条引脚线的LCD显示屏, 多出来的2条引脚是提供背光电源的。可以进行40通道点阵LCD驱动, 也可进行行驱动和列驱动, 可以产生20×2的驱动波形, 可被单片机控制, 将所测的频率数据显示出来。 ⑷AT24C02阀值存储模块。AT24C02内部含有256个8位字节, 可以通过IIC总线接口进行控制, 是一个2K位串行EEPROM, 有一个16字节页写缓冲器, 常常用在掉电不易失数据的存储过程中。在本设计中, 将确定是否醉酒的阈值存储在EEPROM芯片, 还能够使用相应的按键调整这个值。 2 设计思路 本设计的硬件由五部分构成:酒精传感器模块、单片机模块、显示模块、存储模块和报警模块, 其设计思路原理图如下图所示。 在硬件的连接方面, 本系统由整体由单片机控制, 单片机直接连接存储模块和酒精传感器模块, 将通过MQ-3酒精气体传感器采集到信号, 并输出信号, 传感器经信号调理电路处理加工, 输出随乙醇浓度变化的电压信号, 该电压信号输送到单片机上, 与通过A/D转换后的数字信号相对比, 显示模块可以将经过单片机处理过的酒精气体浓度具体数字显示出来, 与设定的阀值进行对比, 并显示和报警。 3 产品特点 本文设计的酒精浓度测试仪具有以下特点: ⑴本设计在元器件的选择上进行了仔细的考虑, 几个核心元件具有:使用寿命长、工作稳定和功耗低等优点, 传感器也具有较高灵敏度。⑵本设计中单片机作为控制核心, 无需要其他计算机辅助, 用户可以直接与测试仪进行交互工作, 完成数据的采集、存储、计算和分析的全部过程。⑶本设计的成本低廉, 注意节能方面的要求, 低功耗、高性价比等特点。⑷本设计充分考虑小型化和便携的特点, 使用了LCD大屏幕显示屏以及小按键设计, 方便随身携带, 随时可进行酒精气体的检测。⑸本设计的软件部分采用C语言编写, 这是一种熟悉的语言, 在进行实时性处理的同时, 也能很能进行数据处理。 4 酒精浓度测试仪的主要应用 本产品设计的最主要的应用是在机动车驾驶员的酒精浓度测试上, 也可以在燃气站和燃气房等酒精储存场所, 生产车间、化工和冶金行业等以酒精为原料的场所, 以及宾馆酒店等酒类使用的场所。 ⑴机动车驾驶员的酒精测试。随着我国改革开放的深入, 经济的快速发展, 人民的生活水平也随着迅速提高, 越来越多的家庭拥有了私家车, 而随之而来的是酒后驾车导致的交通事故, 据资料显示, 我国近些年发生的重大交通事故中, 超过三分之一的都是由醉酒驾车或酒后驾车引起的。为了防止机动车驾驶员酒后驾车, 在车辆现场对人员进行实时的酒精含量的检测已日益受到重视, 利用酒精测试仪来告诫机动车驾驶员切勿在酒后驾驶。 ⑵其他领域的应用。本设计还可以应用于酿酒车间和食品加工厂等需要监控空气中酒精蒸汽浓度的场所, 在这些对环境条件要求严格的生产车间, 使用酒精浓度测试仪, 可实时的检测车间内酒精蒸汽的浓度, 当酒精气体浓度超过允许的范围时, 设备可以及时发出警报, 提醒操作人员及时进行通风和换气工作, 以保证安全生产。 在工厂企业的存储和生产环节, 可以对酒精气体的情况检测;在居民家庭的出行安全, 可以对酒后驾车的情况进行检查, 这些检测措施对居民的人身和财产安全, 已经企业是生产安全都是十分重要的, 因此, 酒精浓度检测仪具有巨大的潜在用户和十分广阔市场前景。 摘要：本文介绍的是一款酒精浓度测试仪的设计及其应用, 测试仪是以单片机和酒精传感器为核心, 具有LCD显示功能和嗡鸣报警功能, 本测试仪可以测试气体中酒精的浓度。 关键词：酒精浓度,设计,检测仪,应用 参考文献 [1]丁元杰.单片微机原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005:24-35. [2]谭浩强.C语言教程设计[M] (第三版) .北京:清华大学出版. 近年来,随着交通事业的发展,人民生活的提高,私家车的占有率直线上升,各式各样的的汽车已经成为人们的代步工具。与此同时,酒后驾车的司机越来越多,造成不少意外伤亡。根据交通部门不完全统计,每年因酒后驾车造成的人身伤亡事故数已万计,由此也造成了巨大的经济损失。为了方便快捷地判定交通事故的性质和原因,是否为酒后驾车造成的事故,应检测肇事者呼出气体的酒精浓度。为此,针对目前状况,本文设计了以性能优越的低功耗单片机MSP430F149和专用燃料电池酒精传感器为核心的酒精浓度检测仪。该仪器经过整机软、硬件的精心设计,具有体积小、使用方便、灵敏度高,抗干扰强,准确性高等特点。而且可以用在需要控制人体酒精饮用以确保安全的任何场合中。 2 系统的原理与结构 人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。大量的统计研究结果表明,如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上,这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系:BAC(mg/L)=BrAC(mg/L)*2200,BAC(blood alcohol concentration)为血液酒精浓度,BrAC(breath alcohol concentration)为呼气酒精浓度,二者具有固定的比例关系。mg/L是物理单位,为毫克每升。该检测仪正是在这个关系上进行了数值理论计算。 本文研究的是一种以单片机MSP430和燃料电池酒精传感器为主,由数据采集放大、电源管理、实时时钟、打印、人机交互(包括液晶显示、按键及声光报警)等模块组成。结构框图见图1。 该仪器监测空气酒精浓度时,由于燃料电池酒精传感器转换率受温度影响,为了使测量的精度达到最高,误差最小,需要在2V电压下预热10s。,当燃料电池酒精传感器感应到酒精蒸汽时就输出微小的电压信号(mV级),然后通过精密仪表放大器INA126进行放大后被单片机MSP430内部集成中的12位A/D转换器采样,采样后的数字信号经单片机处理比较,找出稳定后的浓度值,该值存储到数据存储器后,送数据输出口由MG-1223液晶显示器显示。并且该浓度值与用户预先设定的阀值(根据不同的环境设定不同的阀值)进行比较,判断是否需要报警,如若超出阀值进行声光报警。在液晶显示屏上显示出该值和检测的日历、时间,以及是否出超出阀值。显示的内容最终打印,由酒后驾车人员签字确认。在电源方面中,由于电路中传感器模块和控制器模块的供电电压不一致,市场上的高输出电压、高容量电池体积与设计要求相比又太大,因此,本文采用小体积的高容量电压的可充电1.2V镍氢电池作为系统的总供电电源,再用DC-DC升压器将电池电压升到各模块所需的供电电压,可以较好地降低了仪器的功耗。 3 检测仪的硬件设计 3.1 单片机的选择 MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)公司推出的一款Flash型16位RISC指令集超低功耗的混合信号处理器。该单片机内部集成有8通道、12位精度、高速的A/D转换模块ADC12,其最大采样速率可以达到200ksps。片内还有2个具有捕捉/比较寄存器的定时器和高达60KB的Flash、2KB的数据RAM,这些都为多通道现场数据采集提供了坚实的硬件保障。完全以系统低功耗运行为核心,可在1.8～3.6V低电压下工作,系统采用3.3伏工作电源;具有高速和低速时钟;具有正常工作模式(AM)和4种低功耗工作模式(LPM1,LPM2,LPM3,LPM4),AM为活动状态,其余为低功耗模式,其中LPM4数据保持模式仅耗电0.1Μ,从低功耗模式到活动状态只需6μs,单片机可以方便的在各种工作模式之间切换。MSP430的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。MSP430F149为x1xx系列中硬件集成度最高的产品,相对于其它的产品,它有了硬件乘法器、48个I/O端口、更多的定时器(10个)、更多的USART端口,为MSP430系列中的首选产品[1]。鉴于MSP430F149单片机具有以上优点,这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力,而可以方便的设计真正意义上的单片系统.降低系统功耗,简化电路。 3.2 信号采集 该仪器利用燃料电池作为酒精传感器,它利用化学反映,直接把进入其内部的可燃气体转变为电能输出,在其两个电极上产生电压输出。它采用的是贵金属白金作为电极,在燃料电池酒精传感器的燃烧室内充满着特种催化剂,这种催化剂仅能使进入燃烧室内的酒精气体充分燃烧产生电能输出,对其它非酒精气体产生不良反应,因而它们对输出没有任何影响。所以燃料电池酒精传感器输出电压的高低与吸入燃烧室内酒精气体的浓度成正比[2]。它测量精度高,可测范围广。由于它只对酒精气体反应,任何其它非酒精气体测量时给结果带来的干扰都很少。另外,由于它对酒精气体极为敏感,只要把它的环境温度控制在规定的范围内,即使是酒精浓度很低的气体也能在其两极产生微弱的电压输出。而且它是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置,其工作过程中不涉及燃烧,仅仅通过电化学反映生成水,因而不受卡诺循环控制,其能量转换效率明显提高而且排放量很少,有利于保护环境。 当燃料电池有微小的电压信号(mV级)输出后需要放大到足够的幅度以满足A/D转换时输入电平的要求,本文采用的放大器为IN126。它是美国Burr-Brown公司近期推出的一种精密仪表放大器。通过二个运放的组合设计,使器件具有极低的静态电流和较宽的电源范围。经激光修正后的电路,具有很低的输入失调、输入漂移和极好的共模抑制比。其增益可通过一个外接电阻在5～10000范围内设置。该器件可广泛用于便携式仪表放大器、工业传感放大器电桥、热电阻和热电偶等、医用输入传感器信号放大器、多通道数据采集系统和干电池供电系统用放大器等领域。非常适合本次便携式检测仪器的需要。 酒精浓度的采集由片上ADC12模块完成,ADC12模块能实现12位精度的模数转换。ADC12选择内部2.5V参考电压,选择通道Al作为输入通道,输入信号到微处理器进行A/D转换后的值与用户预先设定的报警值进行比较判断,从而控制声光报警电路的开闭。AD12提供单通道单次、序列通道单次、单通道多次、序列通道多次4种转换模式,由于该检测仪采用中断方式采集数据,所以选择单通道单次转换。 3.3 人机交互 MSP430F149的P1、P2口除了支持输入、输出以外,还支持硬件中断。非常适合实现基于中断的键盘输入响应程序。该仪器采用了12个按键,分别为数字键0～9、小数点、设置键、确定键、打印键。设置为3×4的行列式键盘。键盘程序采用行扫描法。即P1.0～P1.2接两根列线,列线定义为输出口,P1.2、P1.3接两根行线,行线定义为输入口。基于对系统低功耗要求的考虑,键盘输入响应程序应设计为中断方式运行。中国地域广大,各不同地域和民族的饮酒习惯也不尽相同。因此可以按“设置键”来更改酒精浓度报警阀值。确认键有两个用途:一是更改阀值后按下,另一个是充当报警以后的复位,以便进行下一次的测量。 在设计中,笔者采用了信利(TRULY)公司的MG-12232液晶显示模块完成显示信息功能。MG-12232模块供电电压的典型值为3 V,工作电流的典型值为0.3mA,很适合本系统3V电平的低功耗环境。其可显示范围为122×32点阵,即能实现所谓的“双排汉显”,分别显示检测的酒精浓度、检测的日历、检测判断结果。结合按键进行酒精浓度阀值的修改。 3.4 其它部分模块 MSP430外接两个发光二极管LED和一个蜂鸣器,LED分别是READY和WARN,READY亮表示系统准备好,可进行测量。WARN亮表示乙醇含量超过规定值,蜂鸣器发出警报,此时再按“确认键”使WARN熄灭,以便进行下次测量。 报警电路分为蜂鸣器报警电路和二极管发光报警电路组成。当输人端P2.0为高电平时,有电流通过蜂鸣器,蜂鸣器发出声音报警,而当输人端为低电平时不报警。当输人端P2.1为高电平时二极管亮报警,反之输人端P2.l为低电平则不报警。 作为执法或违章处罚的依据,交通民警在对酒后驾驶者进行检测后,一般都要求能立即把检测结果以书面形式通知被测者,并让被测者当场签字认可。因此,用作现场执法或现场处罚的该酒精测试仪配备了现场打印设备。另外,电源模块采用两节高能镍氢可充电AA型电池并联,提供1.2 V电压,再用D C-D C升压器MAX1676得到3.3伏和2伏稳定的工作电压,分别为系统和传感器供电。MAX1676具有一个可调节的限制电流。MAX1676输入电压范围从0.7V至5V,并且只需30uA的静态电流,功耗小;另外还具有电池欠压检测能力,可以实现对电池实时充电。由于MAXIM1676的升压器转换效率很高,从而使电池能量得以充分利用,降低设计成本。 4 检测仪的软件实现 F14x系列的软件结构也针对低功耗而设计。如从休眠模式唤醒MCU仅需6μS。其中断和子程序调用无层次限制,这种强大的中断能力减少了系统查询的需要,可以方便地设计出中断结构的数据采集程序。软件将通过精密放大器来的传感器信号进行A/D转换,并把转换后的数字量进行一定处理,找出浓度信号平稳后的最大值,最后送液晶显示器显示。并且根据不同的要求,可键盘设置酒精浓度的阀值。该仪器软件程序主要使用C语言编写,采用了模块化结构程序设计方法。包括主程序、中断子程序等。系统在开机或复位后,首先进行初始化、自检,然后进入中断等待状态。中断子程序包括A/D转换子程序、数据处理、预设阀值、显示、报警、按键判断处理、打印、。在进行阀值判断时是在内部用到了MSP430的比较器。程序大部分时间处在低功耗休眠状态(LPM3模式),每10s扫描一次键盘,工作是以中断方式完成功能,因此总体平均功耗很低,保证了电池的使用寿命。图2为软件方案总体流程图。 5结束语 该检测仪通过软、硬联合调试,达到了设计的要求。其充分了利用了MSP430F149的特点,结构简单、功耗低、携带方便、灵敏度高、可靠性好、故障率低,具有很好的应用前景。 参考文献 [1]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社.2004. 在我国,每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起,其危害触目惊心,已成为交通事故的第一大“杀手”。因此设计一套能够检测酒精气体浓度的仪器显得极为迫切。近些年来,激光测试技术以及气体分析技术飞速发展,其具有响应速度高,不受背景气体影响的优点[1]。因此,如何利用激光气体分析法来检测酒精气体的浓度成为了一个十分有意义的研究课题。本文提出一种基于可调谐激光二极管的酒精气体浓度检测系统,设计出稳定的光学系统、光源驱动系统与检测电路、数据采集与控制系统,得到不同浓度酒精气体特征峰值。 1 TDLAS技术原理介绍 1.1 TDLAS概述 基于Beer-Lambert理论的TDLAS(Tunable diode laser absorption spectroscopy),可调谐激光二级管吸收光谱技术为光谱吸收法的一种,它通过检测气体透射光强的变化来检测气体的浓度,理论基础为朗伯一比尔定律[2]。该技术有较高的灵敏度和较高的分辨率,使用指标可以做到ppm量级,最高可以达到ppb量级。又由于可调谐的激光二极管的体积小、安装方便、能够测量更长的光程距离,且信噪比高;特别是狭窄的线宽和稳定的输出,使其比起以往系统有更快的响应时间[3]。把波长或者频率调制的方法结合到TDLAS中,可以有效地减少激光源和探测器自身带来的噪声,提高信噪比。 1.2 TDLAS原理 基本原理如图1所示,当激光光源发出一定的频率V的单频光穿透有一定浓度的待测气体的气体时,气室中的样品在中心频率Vo上有吸收线或吸收带,光被吸收和散射一部分后透射过去。 假设入射光强为I0,穿透光强为It,根据朗伯-比尔定律[4]: A=ln(I0/It)=∂CL . (1) 其中:A:吸收度,是波长的函数;I0:入射辐射的强度;It:透过辐射强度;∂:吸光系数;C:介质浓度;L:光程长。 公式(1)也可以表示成如下的式子: undefined. (2) 式中Kv(cm-1)是吸收系数,L是通过气体的光程长。 为了简化研究,一般认为整个系统的气体达到均匀统一的状态,因此,由公式(2)得出: undefined 定义undefined为吸收积分,同时带入(3)式得出(4)式: undefined 因此浓度N就可以表示为如下式子: undefined. (5) 式(5)中吸收谱线的谱线强度S(T)是吸收气体分子的一个基本属性。各种气体分子的谱线强度都可以在几个公开数据库中查表得到,其中被广泛应用的就是美国空军研究的红外吸收应用的HITRAN数据库[5]。一定温度下的谱线强度S(T)可由下述公式计算得到: undefined 式(6)中,Q是分子分配函数(与粒子的简并度和粒子的能量有关),E是分子跃迁的底层能量,h是布朗克常量,k是玻尔兹曼常量,c是光速,S(T0)是在参考温度下T0的光谱线强度。 由此可知,在已知气体的压力,光程L,工作温度T,谱线强度S(T)以及吸收积分的情况下可以算出气体的浓度。 2 基于TDLAS技术酒精气体浓度测试系统总体设计方案 2.1 酒精浓度测试系统总体结构 本系统可分为三个单元:发射单元,中央单元和接收单元。其中发射单元,中央单元组成了本次设计的光路部分,同时也是本设计方案的重点。 该方案光路主要由激光光源,激光束准直器,4.8m多光程样品池,气体分割器和浓度较高的酒精气体组成。被调制的激光通过激光器光源发出,经过光纤分路器分路,一路直接被光电传感器检测,另一路通过光纤准直器进行会聚入射进多光程样品池,同时通过气体分割器对样品池内以一定的流量不断充入不同浓度的酒精气体。这套方案中采用了多光程样品池作为酒精气体的检测环境,从而在有限的空间和适当体积的酒精气体中增加光程长度,从而降低设备搭建的成本。同时采用了光纤分路器(99%-1%),将一部分光束直接传入光电检测器,从而消除了由于激光功率变化而导致的失真。 2.2 系统功能与工作过程 本系统要实现的功能是对充有一定浓度酒精气体的特定环境进行检测,从而能够确定环境中的酒精气体的浓度。对于酒精气体的检测过程如下:首先根据实验测得的酒精气体经红外吸收光谱的图谱以及激光器的波长调谐范围,来选择酒精气体分子的线吸收峰,通过半导体激光器驱动器将激光二极管的输出中心波长稳定在线吸收峰的波长位置通过外加函数发生器发出的一定参数下的波形信号,对激光二极管的注入电流进行调制,使得其输出波长能够扫描过整条吸收谱线,激光器发出的调制光通过FC接头与光线连接,并用光纤分路器把它分成99%和1%的两路,一路(99%)用光纤传到用怀特池原理制成的4.8m的多光程池的入射口处,通过一个光纤准直器对光进行准直,由气体分割器配出不同浓度的酒精气体通入池中被调制光检测,出射光由一个光电检测器进行接收,完成光电转换,得到的电信号通过数据采集卡进行采样,另一路作为参考路(1%)通过光纤直接传送到功率检测模块电路,对激光二级管的功率进行检测,通过光电转换后,也进行数据采样,最后把这两路信号送入计算机进行处理及测量结果显示。 3 基于TDLAS技术测量酒精气体浓度的实验方案设计 本文重点介绍酒精气体特征吸收峰测量实验,实验原理图如图2所示: 本次实验使用的是纯度为99.5%的无水酒精,同时为了排除空气吸收对酒精气体吸收光谱的干扰,对水蒸气特征吸收峰也进行试验。测量所得光谱经spec2020分析软件显示,结果如图3和4所示。 图3中酒精气体在1393.553nm附近存在一个十分明显的吸收峰,图4中空气在1393.553nm处并没有吸收峰的存在,因此可以排除空气吸收对酒精气体吸收光谱的干扰而认为1393.553nm为酒精气体的特征吸收峰。 另外本次试验对75%,70%,47%,39%浓度的酒精气体进行了气体特征峰值测试,结果如图5-图8所示。 从上面四组图中可知75%浓度对应4.5个单元格,70%浓度对应4个单元格,47%浓度对应3.5个单元格,39%浓度对应3个单元格。即随着酒精气体浓度的不断降低,特征吸收峰的峰值也会随之下降。 前文介绍了基于TDLAS技术酒精气体浓度检测实验系统的整体结构框架,并且在实验中也已经确定了酒精气体的特征吸收峰,实验系统已经搭建完成。 实验器材:分布反馈式(DFB)激光器、CLC1600-13FC型光纤准直器,4.8m怀特池、AFG3252双通道函数发生器、LDC-3908系列的激光二极管驱动器、海特光电PIN90713光电二极管、前置放大器、带通滤波器、PCI-4474的4通道24位动态信号采集卡。 实验步骤: (1)将半导体激光器驱动器LDC-3908通电,预热5分钟。 (2)设置半导体激光器在适当的工作温度,调谐半导体激光器偏置电流,使激光器的输出中心波长处于线吸收峰1393.553附近值。 (3)通过函数发生器输出正向偏压的三角波作为调制信号。 (4)通过美国Signal公司的MODEL821气体分割器分别向气体池内通入浓度为10.409%,40.520%,50.310%,59.851%,70.136%,89.591%,99.876%的酒精气体,流速控制在2L/min左右。 (5)调节激光器的光束准直透镜,使发射光束落在光电传感器的有效感光面积内。 (6)经过酒精气体分子吸收的激光器穿射光束经过光电传感器转换为电信号,进入前置放大电路进行处理,然后输出的电信号进入数据采样(DAQ)最后送入计算机进行处理及测量结果显示。 5 结束语 本文通过分析所采取的测试方法原理的合理性,按照技术要求完成基于激光测试技术的酒精气体浓度检测系统设计,对气体检测过程中的气体的特性进行相关实验研究,在满足设计要求的基础上提出了总体设计和相关试验方案。重点对不同浓度的酒精气体吸收波峰值进行实验,同时排除水蒸气的干扰。最后搭建了酒精气体浓度的TDLAS实验平台,为今后酒精气体浓度进行实时检测提供参考。 参考文献 [1]崔厚欣,齐汝宾,陈文亮,等.可调谐激光波长调制技术检测氧气浓度[J].中国激光,2008,35(10):1558-1562. 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[8]光谱学与光谱分析编委会.光谱学与光谱分析[M].北京:北京大学出版社,1998:56-58. 设计并制作一个酒精浓度测试仪,技术指标如下: 该系统能够正确地显示呼吸气体的酒精浓度。要求测量误差在10% 以内,能够清晰稳定的显示测量结果。当测试的酒精浓度超出限定范围时具有报警功能。 2设计思路 本文以AT89S51单片机为核心,设计了用于测量酒精浓度的探测仪,主要研究工作包括以下3个方面。 硬件电路方面,对气体传感器MQ-3按检测电路,接上一定阻值的负载电阻,检测它的技术参数,确定MQ-3所接负载电阻的大小,完成信号采样电路的设计;采样到的模拟电压电信号通过A/D转换,得到可供单片机处理的数字信号,再由单片机作相应的数据处理;发光二极管报警显示和8段共阴数码管浓度值显示。 软件方面,标准的确定是该部分要做的主要工作。因为原始的采样值是一个间接的负载分压值,需要将它转化为被测酒精浓度值。通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准,并将每个区间的转换关系近似线性化处理,然后通过软件编程的方法来实现。 为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差,在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释, 二是样品的稳定性对测量带来的误差,三是水蒸气对测量的影响。 3系统框图 系统主要有单片机控制模块、酒精浓度采集模块、AD转换模块和显示模块组成,模块框图见下图。 4各模块电路原理图 4.1电源模块电路( 图1) 电源部分首先由变压器T1将220V50Hz的交流市电变压为5V等频率的交流电压。再经过整流器整流后变为脉动的直流电压。再经过C1 、C2的滤波后变为较平滑的直流电压(如果想要得到更平滑的直流电压就应增大C1的电容值), 再经过7805稳压后变为标准的+5V电压。 至于电容C3、C4也是滤波电容。LED1为电源指示灯。 4.2单片机控制模块(图2) 图2为AT89S51单片机的最小系统电路。其中IP1为ISP下载口,插上下载线接到计算机上可以在线调试程序。P0口在作IO口使用时需接上10K的上拉电阻。 S0为复位按键。 4.3信号采集处理模块(图3) 采集到的酒精浓度信号是一个模拟信号,需要经过以ADC0804为核心的模数转换电路将其转换成数字信号以后才能传给单片机进行处理和显示。 4.4显示模块(图4. 图5) 显示电路是用4位数码管显示的,可以看到显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管,段码用74LS245驱动,位码用PNP三极管Q1、Q2、Q3、Q4驱动。 5酒精浓度测试仪测量数据记录 测量用的酒精溶液是用无水乙醇和纯净水按体积比来配制的,单位m L/m L表示的是1m L酒精溶液中含酒精的体积。 从测量数据上来看,测量的最大误差为8.3%,在被测浓度大时,还存在一些误差,需要进一步改进设计,扩大测量范围, 并提高测量精度。对于检测浓度低的酒精误差比检测浓度高的酒精误差小,这也是设计的该酒精浓度探测仪适合与检测酒后驾车的原因,因为人在饮酒后,从呼吸道呼出的酒精气体浓度一般都不是很高。 因此,经过适当的改进,可以用于检测酒后驾车。 摘要：本设计是以单片机技术为基础,可以对呼吸气体中的酒精浓度进行实时采集、显示和报警,是用酒精浓度传感器对呼吸气体进行感应,采集到的微弱信号经过放大以后,再经过模数转换模块,转换成数字信号以后再由单片机进行分析和计算处理,最后将测量的浓度数据显示在LED数码管上,当超过设定的浓度值时,进行报警。 目前现有的呼出气体酒精浓度检测仪的检测精度虽然能达到要求, 但是检测的时间严重偏长, 不适合短时间内有大量人员通过的场合。为了解决这个问题设计了本套系统。 1 系统的构成 系统的组成结构如图1所示, 大体分为酒精浓度检测部分 (酒精检测电路和处理器系统组成) 、检测语音报警部分和三棍闸通道控制部分, 这三个部分协同工作完成了本套系统。 2 酒精浓度检测系统的实现 为了解决现有的酒精传感器恢复时间较长的问题, 本系统提出了采用斜率计算的方法。 (1) 酒精传感器的选用 酒精传感器作为本系统中最重要的传感元件, 它的灵敏度的高低直接决定了整套系统的灵敏度。经过对多个厂家生产的酒精传感器的对比实验, 费加罗生产的TGS822酒精传感器具有较高的灵敏度。 费加罗气体传感器的气敏素子, 使用在清洁空气中电导率低的二氧化锡 (SnO2) 。当存在检知对象气体时, 传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 TGS822 传感器对酒精、有机溶剂的灵敏度较高, 在酒精检测器等方面得到广泛应用。 图2是典型的灵敏度特性, 全部是在标准试验条件下得出的结果。 纵坐标以传感器电阻比 (Rs/Ro) 表示, Rs, Ro 的定义如下: Rs=同浓度气体中的电阻值 Ro=300 ppm 乙醇中的电阻值 (2) 基本测试回路 此传感器的测试回路如图3所示, 由图可知传感器需要施加 2 个电压:加热器电压 (VH) 和回路电压 (VC) 。这个VH用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻 (RL) 上的两端电压 (VRL) 。这种传感器具有极性, 所以VC需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求, VC和VH可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化, 并使敏感素子的功耗 (PS ) 低于15 mW 的限度值, 需要选择RL的值。 (3) 理论基础 由气体浓度—传感器电阻比图可知气体的浓度和传感器的电阻基本成线性关系。从基本的测试回路图及传感器电阻的计算公式可以得出测试电路的输出电压与气体浓度基本呈现正比例关系。假设传感器的响应时间是一个定值, 那么气体的浓度越高则输出电压的斜率越高, 根据斜率则可推算出气体的浓度。 气体的浓度属于叠加的关系, 当连续两个饮酒人进行测试时, 第一个人测试时在传感器周围残留了一些酒精蒸汽, 系统根据其斜率计算出第一个人的酒精浓度, 当第二个人测试时, 由于已存在酒精蒸汽, 所以浓度应进行叠加, 但是浓度的增加速度即输出电压的斜率不受原来酒精蒸汽的影响, 所以在第二个人测试时仍可按照输出电压的斜率来计算, 这样就不必等待传感器恢复, 节省了等待时间, 这也是本设计的理论基础。 3 实际应用的组成结构 (1) 系统组成框图:图4为本设计的实际组成图, 传感器把空气中酒精浓度的值转换为相应的电信号, 经过整形滤波电路后送到微处理器的AD采样端进行电信号的数字化, 微处理器根据数字化后的结果进行斜率的计算及分析处理, 然后依据处理结果控制语音报警和通道的开关。 (2) 测试回路采用基本测试回路即可。 (3) 处理器根据要求采用Atmel的mega系列芯片mega88。 mega88是美国Atmel公司推出的高性能低功耗的avr处理器, 它内部集成了8 kB的FLASH, 8路10位ADC, 最高分辨率时采样率高达15 kSPS, 当工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS, 完全可以适合传感器AD采样计算的需求。mega88具有多种接口电路:IIC, SPI, UART, 以及最多23个可编程的I/O口, 可实现和外部电路的多种通讯接口。mega88支持ISP功能, 在程序设计、调试时可以很方便地对器件进行在线编程、修改。基于以上特点本设计选择mega88为主控芯片。 (4) 语音报警系统采用科大讯飞出品的高端语音合成芯片XF-S4040。XF-S4040是科大讯飞公司推出的一款中高端的语音合成芯片, 可通过异步串口、I2C接口接收任意文本, 并将文本转化为语音输出, 支持六种发音风格, 软件可调节语速、语调, 支持文本控制标记, 提升文本处理的正确率, 该芯片极小的尺寸可以方便地集成到需要语音合成功能的嵌入式设备中, 为其添加人性化的语音功能, 为用户提供了一套高性价比的语音解决方案。 功能特点: ◆ 可合成任意的中文文本, 支持英文字母的合成; ◆ 支持GB18030、BIG5、UNICODE、UTF-8 四种内码格式的文本; ◆ 提供六种发音人:女声 (两种) 、男声 (两种) 、童声、卡通音色; ◆ 可正确的识别和处理数值、号码、时间、日期及一些常用的度量衡符号; ◆ 支持多种控制命令, 包括:合成、停止、暂停合成、继续合成等; ◆ 集成提示音效, 针对某些行业领域的常见语音提示音; ◆ 支持多种文本控制标记, 提升文本处理的正确率; ◆ 支持休眠功能, 在休眠状态下可降低功耗; ◆ 支持UART、I2C 两种数据通讯接口; ◆ Line out 音频输出; 基于以上特点及本设计的需求选用此芯片。 (5) 三棍闸控制系统采用市面上出售的全自动三棍闸系统即可。 4 软件设计 在软件的设计中主要使用到了单片机的定时AD转换资源, 根据前文所述我们需要计算电压变换的斜率即电压在一定时间内的变化范围, 使用定时AD转换功能可轻易的实现这一需求。 软件设计中单片机不停的在做定时的AD转换, 在转换结束中断中进行滤波、比较, 两次的AD测量值的差值既是电压的变化率, 也就是我们所需要的斜率值。根据斜率可以计算出酒精的浓度, 按照浓度高低控制语音系统报警和三棍闸系统的转动, 实现对饮酒者的通行控制。 图5为AD转换中断的软件流程图, 在主程序中只要根据此中断中设置的标志位即可做出相应的操作, 比如语音播放的控制, 三棍闸的开关等。 5 总结应用 本系统针对现有酒精传感器的恢复时间较长的问题, 通过斜率的计算成功地实现了快速酒精检测, 缩短了检测间隔, 大大提升了酒精检测的效率, 显著地提高了受检人员的通行速度。 当工作环境的温度和湿度变化较大时可根据温度、湿度影响的典型曲线图, 通过测量环境的温度、湿度对测量结果进行校正, 以提高检测的准确度。 本系统在各煤矿的实际应用中工作可靠, 各项性能稳定, 通行速度较快, 受到了客户的好评。 摘要：针对现有酒精传感器的恢复时间较长的问题, 提出了利用斜率计算来检测呼出气体酒精浓度的方法。这种方法有效地缩短了传感器的恢复时间, 为快速的通道控制提供了可能。呼出气体酒精浓度测试仪配接三棍闸通道控制系统实现了对饮酒者的通行控制。该套系统可广泛应用于对饮酒者有限制的各种场合。 关键词：酒精传感器,斜率计算,三棍闸,通道控制 参考文献 [1] ATmega48_88_168 Data Sheet[S].ATMEL, 2005. 因此本文研究了三成分发酵促进剂对酒精发酵的影响, 以优化出合适的三成分发酵促进剂的配方, 成为食用酒精发酵行业尿素氮源的替代品, 并旨在通过添加酒精发酵促进剂, 降低高浓度酒精对酿酒酵母的毒害作用, 提高酒精出酒率。 1 材料与方法 1.1 材料 菌种:酿酒酵母S-2012 (实验室保藏) ;酵母浸粉:安琪酵母股份有限公司;淀粉酶:江苏省奥谷生物科技有限公司;糖化酶, 蛋白酶:江苏锐阳生物科技有限公司;玉米粉:市场采购;Mg SO4, KH2PO4和Ca Cl2等均为分析纯。 1.2 仪器与设备 BSA623S电子天平:赛多利斯科学仪器 (北京) 有限公司;YXQ-LS-50Sll立式压力蒸汽灭菌器:上海博迅实业有限公司医疗设备厂;SW-CJ-1BU超净工作台:上海博迅实业有限公司医疗设备厂;SPX-250B-D恒温培养箱:上海博迅实业有限公司医疗设备厂;酒精计:河北武强县精达仪器仪表厂。 1.3 试验方法 1.3.1 玉米液化[2] 称取一定量的玉米粉, 在60℃温水按1:3的加水比例调成匀浆, 加入淀粉酶10U/g, 1%Ca Cl2, 70℃~85℃保温30min, 90℃保温熟化60min。 1.3.2 玉米糖化 糊化醪冷却到60℃, 用20%HCl溶液调节p H值至4.6, 加入糖化酶100U/g, 在55℃~60℃保温50min。 1.3.3 酒精发酵试验 将糊化醪灭菌, 冷却至32℃, 接入酵母活化液, 搅拌均匀, 分别加入酵母浸粉、蛋白酶与无机盐, 无菌分装后在30℃恒温箱中培养72h。 1.3.4 酒精浓度的测定[3] 准确量取100m L发酵液加入圆底烧瓶中, 再加入50m L水后置于蒸馏装置上用100m L容量瓶收集馏出液, 定容至100m L, 混匀后倒入100m L量筒中, 用酒精计 (标温20℃) 测酒精度 (下缘为准) , 同时测定温度, 然后换算成20℃时的酒精度。 1.3.5 单因素试验对酒精发酵的影响 在发酵阶段分别添加酵母浸粉、蛋白酶与无机盐组分, 按玉米原料质量为基准, 以不同量的酵母浸粉、蛋白酶与无机盐为单因素, 考查对酒精发酵的影响。 1.3.6 正交试验 以酒精浓度为考察指标, 以酵母浸粉、蛋白酶、Mg SO4和KH2PO4为考察因素, 采用L9 (34) 进行正交试验, 试验因素水平见表1。 药用酒精 浓度不同 用途各异 篇3
酒精浓度检测仪 篇4
酒精浓度检测仪 篇5
酒精浓度检测仪 篇6
智能酒精浓度测试仪的电路设计 篇7
酒精浓度检测仪 篇8
酒精浓度检测仪 篇9
2 结果与分析
2.1 单因素对酒精发酵的影响
2.1.1 酵母浸粉对酒精发酵的影响
见图1所示, 酵母浸粉对酒精发酵结果的影响, 由于酵母浸粉富含丰富的营养物质, 如蛋白质、糖、脂肪和维生素, 促进酿酒酵母菌的健壮生长和繁殖, 从而提高酒精发酵速度、缩短酒精发酵周期, 提高酒精出率的效果。在酵母浸粉量较低时, 没有足够营养物质, 酒精浓度较低, 随着酵母浸粉量的增加, 营养成分的增加, 酵母繁殖快, 发酵增强, 酒精浓度增大, 从成本角度来看, 我们选0.2%为最佳的酵母浸粉添加量。
2.1.2 蛋白酶对酒精发酵的影响
如图2所示, 在蛋白酶量为15U/g时, 发酵酒精度为最大, 这是因为在发酵过程中添加适量的酒用酸性蛋白酶, 一方面能有效地水解原料中的蛋白质, 破坏原料细胞壁的结构, 利于糖化酶的作用, 使原料中可利用的糖增加, 从而提高淀粉出酒率。另一方面, 由于蛋白酶的水解作用, 增加了醪液中可被酵母利用的有机氮, 促进酵母的生长和繁殖[4]。增强酵母菌的产酒能力, 提高发酵速度。但当蛋白酶量增加到一定的程度, 消耗完原料中的蛋白质时, 此时剩余的蛋白酶可能对淀粉酶、糖化酶产生一定的抑制作用, 因此随着蛋白酶量的增加, 酒精度降低。
2.1.3 无机盐对酒精发酵的影响
无机盐类是酵母生命活动不可缺少的物质, 其主要功能是参与构成菌体成分、作为酶的组成部分, 或维持酶的活性、调节渗透压等。其中Mg SO4和KH2PO4对微生物的生长和酒精发酵影响最大[5]。
(1) Mg SO4对酒精发酵的影响
由图3所示, 添加一定量的硫酸镁无机盐, 有利于酒精度的增加, 这是因为硫酸镁中镁离子参与酵母代谢过程中的许多反应, 并且提供酵母中含硫氨基酸的成分, 增加酵母的活性。但增至原料1.5%加入量后, 酒精度下降, 可能是因为镁离子增至一定的程度会使酵母细胞表面吸附的离子范围变小, 电荷变少, 酵母细胞发生凝聚, 影响酵母对葡萄糖的利用。
(2) KH2PO4对酒精发酵的影响
磷酸二氢钾是酵母代谢中一些关键酶的辅助因子 (如果糖激酶等) , 同时也是维持电位差和渗透压的重要物质, 从图4可以看出, 磷酸二氢钾添加量在0.5%~2%时, 随着添加量的增加, 酒精度也不断增加, 2%达到最大, 之后开始下降。说明发酵醪中添加2%的磷酸二氢钾能较好地维持酵母细胞的电位差和渗透压, 过高或过低都不能满足酵母细胞的要求。
2.2 正交试验优化
在单因素实验的基础上, 选取发酵促进剂对酒精发酵影响较大的因素各水平进行正交试验优化, 并选用L9 (34) 正交表, 正交试验结果与极差分析见表2。
由表2可见, 发酵促进剂组分影响酒精发酵因素的主次顺序为:酵母浸粉>蛋白酶量>Mg SO4>KH2PO4, 最佳水平组合为A2B1C1D3, 即发酵促进剂影响酒精发酵的最佳工艺条件为:酵母浸粉0.2%, 蛋白酶量10U/g, Mg SO4 1.0%, KH2PO4 2.5%。
由图5所示, 对所得优化条件进行验证实验, 即发酵阶段加入酵母浸粉0.2%, 蛋白酶量10U/g, Mg SO4 1.0%, KH2PO42.5%条件下进行试验, 酒精度为15.2%, 明显高于同等工艺条件下单因素以及对照组酒精发酵的效果, 而且在发酵时间为48h时酒精度已达到14.8%, 从节约成本和提高生产效率方面考虑, 可以缩短发酵时间。
3 结论
通过单因素试验和正交试验, 确定了高浓度酒精发酵促进剂最佳配方为:酵母浸粉0.2%, 蛋白酶量10U/g, Mg SO4 1.0%, KH2PO4 2.5%, 此时酒精浓度为15.2%。可以得出酒精发酵促进剂能缩短发酵时间, 提高出酒率, 明显优于同类传统工艺方法, 并可维持酵母细胞的电位差和渗透压, 减小高浓度酒精对酿酒酵母的抑制作用, 为提高发酵速率和酒精发酵浓度的酒精浓醪发酵提供了借鉴和参考。
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