基于单片机的乙醇浓度检测装置设计文献综述

文 献 综 述

一、前言

乙醇又名酒精，广泛应用于我们生活中各个行业。工业方面，乙醇作为一种重要的化学溶剂和生产原料；医药方面，乙醇作为一种重要的杀菌消毒手段；家庭生活中，乙醇作为一种我们常喝酒类饮品。酒精的广泛应用给我们的生活提供了便利，但是它也给我们带来了不小的麻烦，尤其是在酒后驾车方面。研究表明，酒精不仅削弱了诸如视野和反应时间等安全使用道路中至关重要的能力，同时也减弱了驾驶员的判断力。即使饮用少量的酒，也会增加机动车使用者和行人卷入交通事故的风险。在中国，每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起，而造 成死亡的事故中50%以上都与酒后驾车有关。根据世界卫生组织2008年的调查显示，约 50%-60%的交通事故与酒后驾驶有关。酒后驾车已成为世界上大多数国家发生交通事故的主要原因。因此，通过酒精浓度检测装置对驾驶人员进行酒精测试，判断其醉酒程度，是非常有必要的，这能够有效遏制酒后驾车和醉酒驾车，减少道路交通事故发生。

二、酒精检测系统国内外的研究现状

常用的酒精检测技术有两种，一是通过呼出气体来检测酒精含量，即呼吸式检测酒精技术，二是通过皮肤来检测酒精含量，即皮肤接触式检测酒精技术。国内外研究开发的酒精检测装置主要有以下几种：

1. 呼出气体酒精含量检测仪，这是国内外交通执法部门最常用的酒精检测装置。按传感器类型分类，可分为燃料电池型(电化学型)酒精检测仪、半导体型酒精检测仪、红外型酒精检测仪、比色法型酒精检测仪，气体色谱型酒精检测仪等5种类型。国内交通执法部门通常使用燃料电池型酒精检测仪，这种检测装置因为方便携带而备受警方欢迎，因此它又被称为警用便携式酒精呼气检测仪。但是这种检测装置精度不高，所以我国交警执法时，一般先用警用便携式酒精呼气检测仪检测，对有嫌疑的还要带回警局，把血液样本带到医院进行二次检测。整个过程，费时费力，极为不方便。

目前，在欧美国家, 燃料电池型酒精检测仪和半导体型酒精检测仪只能作为筛选型酒精检测仪，只有红外型酒精检测仪，血液检测和尿液检测可以作为证据型酒精检测仪。

美国 NIITSA研究报告指出电化学型(燃料电池型)、半导体、易受环境温度的限制和抗干扰性差等原因,检测精度不高，不推荐使用半导体型和电化学型酒精检测仪。美国警方与中国警方一样，最后也要对有嫌疑的人进行血液检测，作为证据。

2. 皮肤接触式酒精探测器, 这种酒精检测装置是通过传感器对皮肤发射红外线来探测血液中的酒精含量。这种技术是利用近红外线对皮肤进行照射，测量反射光线中某种波长被皮肤吸收的量来确定血液酒精含量。这种装置不用当事人配合，检测工作效率高。但是这种技术还不成熟，成本比较高，不适合大范围使用。

国外现在出现一种智能酒精检测装置，它将汽车点火装置、GPS接收器、GSM调制解调器、微控制器与酒精传感器结合起来，把酒精传感器安装在方向盘上，当传感器检测到驾驶员酒精含量超标时，汽车将被锁定无法启动，此时GPS接收器将捕获车辆的位置，并将位置信息发送给当地交通部门、车主及其亲人的手机中，达到警示的作用。这种技术无需警方出动，便可达到检测驾驶员是否酒后驾驶以及预防的目的，方便，快速，效率高。该技术前景远大，可能是未来酒精检测装置的发展趋势，但目前尚在试验阶段，实施困难，无法普及。

随着计算机技术的快速发展，单片机得到了广泛应用。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Micro controller Unit），常用英文字母的缩写MCU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CPUensp;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都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也比电脑低很多，一般不超过10元。因此，它被广泛用于生产，生活的各个领域，尤其是在智能化设备领域，大致可分为以下几类：

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。如温室大棚便可采用基于单片机的环境控制系统来调节大棚内的温度、湿度等环境条件，从而保证大棚内的蔬菜得以快速成长。

2. 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。

3. 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。

4. 智能仪表 用单片机改造原有的测量、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。

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、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。

由于全球化和信息化的到来，世界已经进入了传感器的时代，我国的传感器技术较以往也得到了大幅度提升。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不可缺少的手段，气体传感器在其中发挥着极为重要的作用。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。由于气体环境复杂，气体传感器较其它传感器，精度略低。不过，随着材料发展和新加工技术的提高，气体传感器已有较高的精度，可达万分之一以上，更出现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克服了目前气敏传感器人工测试带来的效率低，误差大和操作人长时间工作等问题。

气体传感器也是酒精检测装置的重要组成部分，本文所采用的是MQ-3酒精气体传感器，它的敏感材料为SnO2，在清洁空气中导电性较低。当目标酒精气体存在时，传感器的电导率随着气体浓度的上升而升高，利用简单的电路，就可将电导率的变化转换为对应气体浓度的输出信号。MQ-3气体传感器对酒精具有高灵敏度，具有良好的汽油、烟雾和蒸汽的抗干扰性。

基于单片机的酒精检测系统工作原理大致如下：MQ-3酒精传感器对酒精气体浓度进行检测并以模拟信号的形式将酒精含量输出，然后通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号传入单片机中，经单片机对信号进行处理后，最终酒精浓度将显示在液晶屏上。

三、总结

综上所述，基于单片机的酒精检测装置灵敏度高、体积小、携带和使用方便、性价比高。该酒精浓度检测系统以单片机为处理核心，不仅可以用于检测空气中酒精的含量，对人身安全起到预防保护的作用，而且可以用于其他需要进行酒精浓度检测的环境。因此，其市场前景广阔、推广价值高。

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

一、本课题要研究或解决的问题

1 了解单片机酒精测试仪的基本机构和工作原理。

2 选用合适的单片机，设计合理的电路来实现所需要的功能。

3 选择好合适的酒精传感器。

4 选择合理的LCD来显示酒精浓度等测试的数值。

5 完成软件程序设计和硬件电路设计，连接调试电路，模拟实现酒精浓度测试仪功能。

二、拟采用的研究手段

1、系统的整体设计

酒精检测系统以单片机为核心，由酒精传感器、模数转换器、LCD显示、键盘输入、声光报警器构成的硬件电路和相关编程软件组成。

酒精检测系统通过酒精传感器把酒精浓度转为电信号，然后把电信号传送给模数转换器，经过模数转换后，再把转换的数字信号传给单片机，单片机对所接收的信号分析处理后，最后把处理的结果通过液晶屏显示出来。由于不同的环境对酒精浓度的要求也是不同的，所以可以通过键盘设定不同环境中酒精浓度的不同阈值，如果检测的酒精浓度超过了设定的阈值，那么单片机将会控制蜂鸣器发出报警声，从而达到测试的目的。系统组成框图如图1所示：

图1系统组成框图

1

2、硬件电路设计

2.1单片机

单片机是整个酒精检测系统的核心，本次设计使用的单片机型号为 STC89C52，它是宏晶（STC）公司生产的STC系列增强型8051单片机，这种单片机几乎囊括了采集数据和系统控制过程中所有的单元模块。这种单片机的指令代码完全可以兼容传统的8051单片机，而且编写起来比8051单片机简单。

2.2酒精气体传感器

本次设计使用MQ-3 酒精气体传感器 ，该传感器的应用十分广泛，具有以下优点：对酒精敏感度高，对苯敏感度低，响应速度快，抗干扰能力强，使用寿命长，成本低，驱动电路简单。

2.3模数（AD）转换器

传感器输出的大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成电信号后，需要 A/D 转换将其变成数字信号才可以输入到数字系统中进行处理和控制。本次设计使用的是 ADC0832 模数转换器，它具有体积小，兼容性强，性价比高等优点。

2.4 LCD显示

本次设计显示部分使用的是LCD1602 液晶屏。LCD1602 也被称为工业字符液晶显示屏。它是一种图形点阵显示器，能同时显示32个字符16x02，除了普通字符外，它还可以显示图像及汉字。本次设计主要是用来显示酒精的浓度， LCD1602 显示屏完全能够满足使用的要求。

2.5键盘输入

在本次设计中，键盘作为系统的输入，起到了人机交互的枢纽作用。我们可以通过调节键盘的输入来设定不同环境中酒精浓度的阈值，如果检测的酒精浓度超过了设定的阈值，那么单片机将会控制蜂鸣器发出报警声，从而达到测试的目的。

2.6声光报警电路

本次设计的报警电路主要由电阻、三极管、蜂鸣器、指示灯组成。当ＭＱ－３检测到的酒精浓度超过了刚设定的阀值，蜂鸣器发出鸣叫声， LED 指示灯也将闪烁报警。整个电路简单可靠，不需额外占单片机的 I/O 口。

最后用Protel软件完成以上硬件电路的设计。

3、软件设计

在本次系统的软件设计中，采用 C 语言完成程序的编写，使用模块化程序设计方法，将系统按功能作用划分为若干子模块，然后根据子模块要实 现的功能完成各个子程序的

编写，程序结构清晰， 可以提高开发调试的工作效率¹⁶。 根据系统功能的需要，本系统软件设计需要完成阈值的设定和存取、酒精浓度检测、结果显示和报警四个任务。

三、总结

计划通过软件程序的编写和硬件电路的设计来完成基于单片机的酒精浓度检测装置的设计。最终该酒精检测装置应具有浓度检测与报警的功能，不但可以用于检测空气中酒精的含量，对人身安全起到预防保护的作用，而且可以用于其他需要进行酒精浓度检测的环境。

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