基于C8051F005的酒精檢測儀設計

西北工業大學 張 恒

基于C8051F005的酒精檢測儀設計

西北工業大學 張 恒

本文以半導體氣體傳感器為核心，采用C8051F005單片機為處理器，設計了能準確檢測氣體中酒精的檢測儀。通過對不同酒精濃度的酒品進行實驗，可以對不同濃度的酒品進行檢測。此檢測儀能用于酒后駕車等場合，具有現實意義。

半導體氣體傳感器 C8051F005 酒精 LabVIEW

一、引言

近年來，酒后駕車事故以及工廠酒精爆炸等事故屢見不鮮。為了預防事故的發生，需要對空氣中的酒精濃度進行及時檢測以及報警，防止事故的發生。

本文采用半導體氣體傳感器為檢測模塊，設計了一種能及時檢測酒精濃度的檢測儀。系統地整體框架如圖1所示。

圖1 整體框架

由整體框架圖分析，設計主要分為三個模塊：傳感器探測模塊、信號采集及處理模塊、顯示和報警模塊。其中氣體傳感器采用直熱式半導體氣體傳感器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，并計算氣體濃度和與外部顯示器通信。當氣體濃度達到一定值時能夠報警。

二、酒精檢測儀設計

1. 酒精濃度采集。

氣體傳感器是將氣體種類與含量有關的信息轉換成電信號輸出，常見的氣體傳感器有半導體氣體傳感器、接觸燃燒式傳感器、化學反應式傳感器、光干涉式氣體傳感器、熱傳導方式等。半導體氣體傳感器具有靈敏度高、價格低、構造與電路簡單等優點，且酒精是還原性氣體，因此綜合考慮，本設計使用的是直熱式半導體氣體傳感器ST-03B。

半導體氣體傳感器是利用半導體材料與氣體相接處的時，產生半導體特性（如電導率等化學性質）變化原理，進行檢測氣體成分或測量氣體含量的傳感器。由于該半導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行還原反應以引起傳感器電導率的變化。為了消除氣體分子達到初始狀態就必須發生一次氧化反應。傳感器內的加熱器可以加速氧化過程，會使傳感器的性能穩定一些。

半導體氣體傳感器SB-30，具有低功耗，對有機氣體有高敏感度，使用壽命長和低成本，應用電路簡單的特征。SB-30的應用電路如圖2所示。

圖2 SB-30的應用電路

傳感器SB-30的1腳接地，2腳輸出，利用C8051F005單片機中的雙12位DAC之一D提供0.9V的電壓給MAX407，再經過電壓跟隨器，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ADC模塊，進行A/D轉換。

2. 信號采集及處理。

CYGNAL的C8051F005是一種在系統可編程混合信號SOC單片機。它能夠在一個小芯片上實現氣體探測監控器的大部分功能。速度為100ksps片內12位ADC能夠實現精確的電壓測量，并具有可編程超界檢測功能。片內的可編程PGA可以調節輸入電壓以彌補傳感器特征的變化。片內的雙12位DAC之一可以用來產生激勵電壓。

C8051F005的信號采集ADC和DAC輸出偏置電壓模塊都只需要通過簡單的編程即可實現，因此使用起來十分方便。檢測到傳感器的電壓信號后，將檢測電壓值進行處理，將結果在LCD上顯示出來，并且，設定一個濃度值，當酒精濃度超過該值時，蜂鳴器報警。

其中ADC的編程設置為：選擇模擬通道；配置ADC基準電壓；設置中斷；數據轉換。若選用基準電壓2.43V，那么DAC輸出0.9V的電壓計算方法為：

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

3. 實驗結果及分析。

硬件電路設計及軟件編寫完成以后，接下來是將不同濃度的酒品進行實驗。本實驗采用了酒精濃度為10的啤酒、漢斯果啤、35°、42°和52°白酒、紅酒共6鐘酒。實驗時，用6個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分鐘左右的時間，傳感器工作穩定后，測出不同酒品輸出電壓不同，如表1所示。

表 1 實驗數據

從表1實驗數據可以得出，酒品的酒精濃度越高，傳感器輸出電壓值越大，因此，檢測器可以準確的對不同酒精的酒品進行檢測。還可以通過編程方便靈活地設定報警界限，根據具體的應用場合而定。

為了進一步提高設計的靈活性和應用層次，經過處理后的信號要顯示出結果來，由于數據采集卡不帶儀器面板，所以要借助計算機強大的圖形環境，建立圖形化的虛擬面板，完成對儀器的控制、數據分析和顯示。本設計還采用虛擬儀器（LabVIEW）將檢測結果在上位機上顯示出來。可以方便今后的進一步應用。Labview 創建了輸出信號的顯示模板，如圖3所示。

圖中顯示了傳感器的輸出電壓，并給出了開關控件，當有信號輸入時，可以方便看到輸出電壓信號變化。

三、小結

本設計以半導體氣體傳感器為酒精感應器，結合增強型單片機C8051F005實現了酒精檢測儀的設計。用不同酒品就行實驗，進一步驗證了設計的可行性。在下一步的工作中，從改進實驗設備等方面出發，使其能夠應用于更廣泛的場合。

圖3 LabVIEW顯示傳感器檢測信號

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