西北工業(yè)大學(xué) 張 恒

基于C8051F005的酒精檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

西北工業(yè)大學(xué) 張 恒

本文以半導(dǎo)體氣體傳感器為核心，采用C8051F005單片機(jī)為處理器，設(shè)計(jì)了能準(zhǔn)確檢測(cè)氣體中酒精的檢測(cè)儀。通過對(duì)不同酒精濃度的酒品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)不同濃度的酒品進(jìn)行檢測(cè)。此檢測(cè)儀能用于酒后駕車等場(chǎng)合，具有現(xiàn)實(shí)意義。

半導(dǎo)體氣體傳感器 C8051F005 酒精 LabVIEW

一、引言

近年來(lái)，酒后駕車事故以及工廠酒精爆炸等事故屢見不鮮。為了預(yù)防事故的發(fā)生，需要對(duì)空氣中的酒精濃度進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)以及報(bào)警，防止事故的發(fā)生。

本文采用半導(dǎo)體氣體傳感器為檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)了一種能及時(shí)檢測(cè)酒精濃度的檢測(cè)儀。系統(tǒng)地整體框架如圖1所示。

圖1 整體框架

由整體框架圖分析，設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)模塊：傳感器探測(cè)模塊、信號(hào)采集及處理模塊、顯示和報(bào)警模塊。其中氣體傳感器采用直熱式半導(dǎo)體氣體傳感器ST-03B，氣體傳感器與C8051F005相連，而C8051F005的DAC輸出電壓，作為傳感器的偏置電壓，C8051F005得到傳感器的電壓信號(hào)，并計(jì)算氣體濃度和與外部顯示器通信。當(dāng)氣體濃度達(dá)到一定值時(shí)能夠報(bào)警。

二、酒精檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

1. 酒精濃度采集。

氣體傳感器是將氣體種類與含量有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，常見的氣體傳感器有半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒式傳感器、化學(xué)反應(yīng)式傳感器、光干涉式氣體傳感器、熱傳導(dǎo)方式等。半導(dǎo)體氣體傳感器具有靈敏度高、價(jià)格低、構(gòu)造與電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且酒精是還原性氣體，因此綜合考慮，本設(shè)計(jì)使用的是直熱式半導(dǎo)體氣體傳感器ST-03B。

半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體材料與氣體相接處的時(shí)，產(chǎn)生半導(dǎo)體特性（如電導(dǎo)率等化學(xué)性質(zhì)）變化原理，進(jìn)行檢測(cè)氣體成分或測(cè)量氣體含量的傳感器。由于該半導(dǎo)體氣體傳感器是利用一種金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣體分子在薄膜表面進(jìn)行還原反應(yīng)以引起傳感器電導(dǎo)率的變化。為了消除氣體分子達(dá)到初始狀態(tài)就必須發(fā)生一次氧化反應(yīng)。傳感器內(nèi)的加熱器可以加速氧化過程，會(huì)使傳感器的性能穩(wěn)定一些。

半導(dǎo)體氣體傳感器SB-30，具有低功耗，對(duì)有機(jī)氣體有高敏感度，使用壽命長(zhǎng)和低成本，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單的特征。SB-30的應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 SB-30的應(yīng)用電路

傳感器SB-30的1腳接地，2腳輸出，利用C8051F005單片機(jī)中的雙12位DAC之一D提供0.9V的電壓給MAX407，再經(jīng)過電壓跟隨器，給傳感器的3腳提供0.9V的偏置電壓電壓。另外2腳輸出接單片機(jī)ADC模塊，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

2. 信號(hào)采集及處理。

CYGNAL的C8051F005是一種在系統(tǒng)可編程混合信號(hào)SOC單片機(jī)。它能夠在一個(gè)小芯片上實(shí)現(xiàn)氣體探測(cè)監(jiān)控器的大部分功能。速度為100ksps片內(nèi)12位ADC能夠?qū)崿F(xiàn)精確的電壓測(cè)量，并具有可編程超界檢測(cè)功能。片內(nèi)的可編程PGA可以調(diào)節(jié)輸入電壓以彌補(bǔ)傳感器特征的變化。片內(nèi)的雙12位DAC之一可以用來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)電壓。

C8051F005的信號(hào)采集ADC和DAC輸出偏置電壓模塊都只需要通過簡(jiǎn)單的編程即可實(shí)現(xiàn)，因此使用起來(lái)十分方便。檢測(cè)到傳感器的電壓信號(hào)后，將檢測(cè)電壓值進(jìn)行處理，將結(jié)果在LCD上顯示出來(lái)，并且，設(shè)定一個(gè)濃度值，當(dāng)酒精濃度超過該值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

其中ADC的編程設(shè)置為：選擇模擬通道；配置ADC基準(zhǔn)電壓；設(shè)置中斷；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。若選用基準(zhǔn)電壓2.43V，那么DAC輸出0.9V的電壓計(jì)算方法為：

那么計(jì)算x=0x5f3，直接賦值即DAC0=0x5f3即輸出0.9V電壓為傳感器工作。

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

硬件電路設(shè)計(jì)及軟件編寫完成以后，接下來(lái)是將不同濃度的酒品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用了酒精濃度為10的啤酒、漢斯果啤、35°、42°和52°白酒、紅酒共6鐘酒。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用6個(gè)25ml容量燒杯取各種不同酒品15ml，然后將燒杯口靠近氣體傳感器，上電后待1分鐘左右的時(shí)間，傳感器工作穩(wěn)定后，測(cè)出不同酒品輸出電壓不同，如表1所示。

表 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，酒品的酒精濃度越高，傳感器輸出電壓值越大，因此，檢測(cè)器可以準(zhǔn)確的對(duì)不同酒精的酒品進(jìn)行檢測(cè)。還可以通過編程方便靈活地設(shè)定報(bào)警界限，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而定。

為了進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的靈活性和應(yīng)用層次，經(jīng)過處理后的信號(hào)要顯示出結(jié)果來(lái)，由于數(shù)據(jù)采集卡不帶儀器面板，所以要借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。本設(shè)計(jì)還采用虛擬儀器（LabVIEW）將檢測(cè)結(jié)果在上位機(jī)上顯示出來(lái)?？梢苑奖憬窈蟮倪M(jìn)一步應(yīng)用。Labview 創(chuàng)建了輸出信號(hào)的顯示模板，如圖3所示。

圖中顯示了傳感器的輸出電壓，并給出了開關(guān)控件，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，可以方便看到輸出電壓信號(hào)變化。

三、小結(jié)

本設(shè)計(jì)以半導(dǎo)體氣體傳感器為酒精感應(yīng)器，結(jié)合增強(qiáng)型單片機(jī)C8051F005實(shí)現(xiàn)了酒精檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)。用不同酒品就行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。在下一步的工作中，從改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面出發(fā)，使其能夠應(yīng)用于更廣泛的場(chǎng)合。

圖3 LabVIEW顯示傳感器檢測(cè)信號(hào)

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