黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 能，之后用信号采集模块对酒精浓度信号进行采集，这一信号是由负载电压和MQ-3气体传感器得到的分压电信号[2]。然后把所采集到的模拟电压信号通过信号转换模块来进行转换，之后就可以形成可以由单片机处理的数字信号。最后LCD显示模块对单片机所处理后的数字信号进行显示，显示出测量结果。报警模块是对设定值提供报警功能，这一功能需要用语音模块表达。根据对各功能模块的设计，硬件系统框图如图1所示。
声音 报警电路 检测 环境 气敏 传感器 A/D 转换电路 单片机 LCD 显示 按键 图1 语音播报酒精浓度系统框图 3.2 元器件的选择
3.2.1气敏传感器
根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为三类:
（1）可燃性气体这种气敏传感器的需求量非常大，主要包括各类无机和有机气体的检测，主要应用领域有抽油烟机、泄露报警器等方面。这种传感器在油田、矿区及家庭等领域被广泛用作气体泄漏报警，尤其是应用在家庭气体如煤气，液化气，天然气等可燃性气体等方面泄漏报警，使得这类传感器具有很大的发展前景和市场。
（2）一氧化碳和氢气一氧化碳气敏元件可以应用在环保、家庭、工业等一氧化碳泄漏检测报警；氢气气敏元件除了可以应用在工业领域外，还可以应用在家庭管道泄露报警。由于氢气被称作是21世纪的新能源，但是化学性质很不稳定，容易爆炸，而同时氢敏元件与一氧化碳元件相比较来说价格相对低，灵敏度高，因此，氢气气敏传感器的应用也比较广泛。
（3）毒性气体毒性气体传感器也叫环境有害气体传感器，主要应用领域有检测汽车尾气、废气等环境污染气体等方面[4]。尽管二氧化硅气敏传感器对一氧化碳，硫化氢得有毒有害气体也很敏感，但应用最为广泛的还是电解式化学传感器。
由于本次设计所检测的酒精气体属于可燃性气体，所以选用可燃性气体传
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 感器中的酒精气体传感器。而酒精传感器中最常见，使用最广泛的就是MQ-3气体传感器。与其他气体传感器相比，MQ-3气体传感器对酒精气体具有灵敏度高，快速的相应恢复特性，功耗也比较低等特点。除此之外，MQ-3气体传感器的使用寿命也比较长，稳定性也比较高，驱动回路也比较简单，性价比很高。所以，本设计选择MQ-3气体传感器比较合适。
3.2.2 单片机
单片机是一种集成电路芯片，它是采用一种超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器、多种I/O口和中断系统等功能集中到一块具有一个小而完善的微型计算机系统的小硅片上，在工业控制领域中具有广泛的应用[1]。
单片机具有低功耗、小体积、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，在仪器仪表中具有广泛的应用，只要与各种类型的传感器相结合，就可以对一些物理量进行测量，如电压、电流、功率、温度、流量、速度、长度、压力等等[3]。
现如今单片机已经深入到人们生活的各种领域，例如对航天飞船上各种仪表进行控制，计算机的网络通讯和数据传输，过程的实时控制与数据处理，轿车的安全保障系统，各种智能IC卡，摄像机、录像机等，这些都需要由单片机进行控制。
目前最常用的单片机主要有MCS-51系列、PIC系列、 AVR 系列。 MCS-51系列单片机的优点是具有内部的硬件到软件有一套完整的按位操作的系统，因此也被叫作位处理器，可以进行的功能主要有位传送、逻辑运算、清零、置位、测试等[5]。8051是Intel公司51系列产品中应用最广泛的产品，它具有4K字节的一次性程序存储器。这可以使调试和编程有极大的便利，其产品主要包括AT89C51、AT89C52等，是现如今应用很广泛的8位单片机。
PIC 系列单片机采用 Harvard 双总线结构，具有很快的运行速度和指令流水线结构，也可以并行处理数据存储器的访问和程序存储器的访问。但在编程时扩展能力相对较弱，分页也很麻烦。
AVR集中了PIC和51的优势，它具有比PIC更快的指令周期，比PIC要高的性价比，AVR它的结构跟PIC相差不大，具有很多相似的共同点，只是在使用C语言开发置位相对比较麻烦，在位操作方面也不如PIC和51方便，因此在工业领域应用反而不太广泛，多用于仪器、通信上。
由于MCS-51系列单片机与其他两种单片机相比，调试和编程更方便，应用领域也更广泛，性价比也不错。所以选择MCS-51系列单片机比较合适。由于AT89C51单片机具有128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，可编程串行通道，使用寿命长，数据保留时间长的特点，而且，由于在平时的设计中也经常使用AT89C51单片机，对其比较了解。基于以上的原因，选择AT89C51单片机比较符合本次设计的要求。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 3.2.3模数转换器
A/D转换即模数转换，就是把模拟信号转换成数字信号。
A/D转换器常用的几种类型有：逐次逼近型、积分型、并行比较型/串并行型。
（1）逐次比较型
逐次比较型模数转换器由一种D/A转换器和比较器经过依次比较逻辑构成，从MSB开始，按照一定顺序对每一位输入电压和内置的D/A转换器输出进行对比，经过n次比较之后输出数字值。属于中等电路规模。优点是低功耗，高速度。
（2）积分型 积分型模数转换器的工作原理是将输入电压转换成频率或时间，再由定时器或计数器得到数字值。其优点是只要通过简单电路就能得到高分辨率，但是缺点则是由于转换精度过于依赖于积分时间，导致转换速率非常低。早在初期的时候积分型在单片A/D转换器中很受追捧，现如今逐次比较型已经成为主流。
（3）并行比较型/串并行比较型
并行比较型模数转换器是应用很多比较器，只作一次比较而实行转换，又被作是Flash型。因为转换速率很高，转换N位需要使用2N-1个比较器，但是电路规模也很大，价格也很高，所以并行比较型模数转换器只适用于速度特别高的领域，如视频模数转换器。
串并行比较型模数转换器具有处于并行型模数转换器和逐次比较型模数转换器之间的结构，其中比较典型的结构就是由两个N/2位的并行型模数转换器结合模数转换器构成，用两次比较进行转换，所以也称为 Half flash型。这类模数转换器具有比逐次比较型更高的速度，比并行型更小的电路规模。
模数转换器的主要技术指标
（1）分辨率，指的是数字量变化为一个最小量时模拟信号的变化量，大小为满刻度与2N的比值。所以分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。
（2）转换速率，指的是结束一次从模拟的模数转换到数字的模数转换所需要的时间的倒数。积分型模数转换器的转换时间是毫秒级，属于低速模数转换器，逐次比较型模数转换器是微秒级，属于中速模数转换器，全并行/串并行型模数转换器可达到纳秒级，属于高速模数转换器。由于
基于逐次比较型模数转换器的功耗低，转换速度快，应用领域更广泛，所以选择逐次比较型的模数转换器比较合适。其中的ADC0832模数转换芯片与其他类型的模数转换器相比，它的体积小，兼容性，性价比更高，而且操作比较简单，更有助于了解模数转换器的原理，因此ADC0832模数转换芯片有很高的普及率。由于这些因素，本次设计选择使用ADC0832模数转换器。
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） 3.3 AT89C51最小系统设计
为了使酒精浓度测试仪可以具有更高的性能，并且具有更好的实用性，需要对酒精浓度测试仪的硬件方面进行完整的设计。
本测试仪的硬件设计采用模块化的设计方案。按实现的功能来分，可分为以下五个模块：酒精气体检测模块，模数转换模块，数值显示模块，语音播报模块，阈值调节模块。所以，整个电路的核心是AT89C51单片机，需要由单片机来对其他模块进行控制，以便完成各种功能。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的高性能、低电压CMOS 8位微处理器。AT89C51具有2K字节闪存同时既可以编程也可以擦除只读存储器。AT89C51单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除一千次[9]。这款单片机制造技术是采用ATMEL高密度非易失存储器，并且它可以和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相互兼容[10]。由于这款单片机将多功能8位CPU与闪烁存储器整合在一个芯片中，因此，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。 晶振电路的设计
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步[7]。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
本设计的晶振电路如图2所示。
图2 晶振电路
由图可知，将晶振两端分别连接在单片机的XTAL1和XTAL2引脚，并在两端分别接入两个电容，之后接地。
3.4 MQ-3气体传感器电路设计
MQ-3型气敏传感器的表面部分是由二氧化锡的N型半导体微晶烧结层组成。当有被测气体内的酒精分子吸附在表面时，就会改变表面导电电子所占的比例，从而使得表面电阻阻值就会随着被测气体浓度的变化而产生变化[11]。MQ-3型气敏传感器有6个针状引脚，其中2个引脚F提供加热电流，其余4个引脚用于信号取出。
使用时将传感器A的2个引脚、B的的2个引脚各自并接在一起，相当A、
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黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文） B只有2个引脚与外电路相连。传感器顶部有一个不锈钢网的的圆孔，固定在腔内的敏感元件与大气相通。
MQ-3传感器电路图如图3所示。 图3 MQ-3传感器电路图
酒精浓度是由传感器MQ-3把非电量转换为电量，传感器输出的是0--5V的电压值且电压值稳定，外部干扰小。因此，可以直接把传感器输出电压值经过ADC0832采样数据送入单片机进行处理。
3.5模数转换模块
通常状况下ADC0832 与单片机的接口共有四条数据线，分别是CLK、CS、DI、DO。但是由于DO和DI在通信时并未同时有效并且和单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当ADC0832不工作时CS输入端电平为高电平，此时芯片停止使用。当要进行A/D转换时，要将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入二位数据用于选择通道功能。
ADC0832模数转换器有8个引脚。
其中，第1引脚接AT89C51单片机的P1.3引脚； 第2引脚接MQ-3气体传感器上；
第3引脚接高电平； 第4引脚接低电平；
第5引脚和第6引脚均接在单片机的P1.5； 第7引脚接在单片机的P1.4引脚； 第8引脚接VCC。 电路图如图4
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