机械与材料工程学院
本科毕业论文（设计）
题 目 基于单片机的车载酒驾检测系统设计
专业班级 测控技术与仪器二班 学 号 ********** 学生姓名 指导教师 设计所在单位
2015年 5月
基于单片机的车载酒驾检测系统设计
摘要：
针对酒后驾车导致交通事故频繁发生的现象，设计了一种能够防止酒后驾驶的控制系统。将酒驾带来的潜在后果扼杀在源头。该系统是一款基于MSP430单片机的超低功耗酒精检测控制系统。该系统可以自动对酒精浓度进行检测，以确保行车的安全。系统可以根据检测到的酒精含量是否超标对驾驶人员反馈相应的信息。如果超标，则驾驶人员无法启动汽车，因此从根本上杜绝了酒后驾车的出现。该系统具有性价比高，智能化程度高，工作稳定可靠的优点。而且可以用在需要控制酒精浓度以确保安全的任何场合。
该系统以单片机为核心, 配以检测电路、控制电路、LCD液晶显示电路、语音报警电路， 从而实现智能车载安全控制服务。由于具有设备检测的主动判断能力和较强的人机交互性，因此具有较高的实用价值。
关键词：酒精检测；语音报警；LCD液晶显示；MSP430单片机
The Design of Alcohol Testing System Based on MCU
Abstract：
Aiming at the phenomenon of that the drunk driving causes traffic accidents frequently, designed a controlling system to prevent drunk driving. By doing this，the potential consequences of the drunk driving will be killed at source. This syst-em is an ultra low power system based on MSP430 single chip microcomputer alcohol detection controlling instrument. And it could test the alcohol concentratio-n automatically, so that the driving safety could be ensured. The system would feedback specific informations to the driver according to the detected result of alcohol. If it is out of the standard, the driver could not launch the car, which fundamentally put an end to the emergence of drunk driving. There are many advantages on high cost performance, high intelligence degree and working stably and reliabl-y. And it can be used in any occasion where the alcohol concentration needs to be monitored.
The system is as the core of MCU, and associated with the detection circuit, control circuit, LCD display circuit, voice alarm circuit, so as to provide the intelligent vehicle safety control services. Because of the capacity of equipment detecting，making judge actively and strong human-computer interaction, it has a high value on practicing.
Key words：Alcohol test; Voice alarm; LCD liquid crystal display; MSP430 singl
e chip microcomputer
目录 目录
第一章 绪论 .............................................................................................................. 1
1.1 选题的目的与意义 ....................................................................................... 1 1.2 车载酒精检测系统的发展趋势 ................................................................... 1 1.3 本文研究内容和主要工作 ........................................................................... 2 第二章 酒精检测系统的总体分析 .......................................................................... 3
2.1酒精检测系统的工作原理 ............................................................................ 3 2.2酒精检测系统的主要功能与特点 ................................................................ 3 2.3单片机的选型 ................................................................................................ 3 第三章 硬件设计 ...................................................................................................... 6
3.1 系统的硬件原理框图 ................................................................................... 6 3.2电源电路 ........................................................................................................ 6 3.3酒精检测电路 ................................................................................................ 7 3.4复位电路 ........................................................................................................ 8 3.5 键盘输入电路 ............................................................................................... 9 3.6 LCD显示电路 ............................................................................................ 10 3.7 语音报警电路 ............................................................................................. 11 3.8输出控制电路 .............................................................................................. 13 第四章 软件设计 ...................................................................................................... 14
4.1 软件开发环境 ............................................................................................. 14 4.2 系统软件结构 ............................................................................................. 15 4.3 系统软件设计 ............................................................................................. 16 4.4系统调试 ...................................................................................................... 20 第五章 总结与展望 .................................................................................................. 22 致谢 ............................................................................................................................ 23 参考文献 .................................................................................................................... 24 附录1 ......................................................................................................................... 26 附录2 ......................................................................................................................... 27
第1页
西安文理学院本科毕业设计（论文） 第一章 绪论
1.1 选题的目的与意义
早在1936 年，挪威就颁布了0.05%(g/ml)的血液酒精浓度（Blood alcohol concentration；BAC）为酒后驾车的标准[1]。一项路边调查显示（单车严重事故）：BAC 每增加0.02%(g/ml)，致死性碰撞事故增加近2 倍；BAC 为0.05%-0.09% 时：致死性碰撞事故的危险性至少9倍于BAC为 0的驾驶员。死亡单车事故中，BAC为0.05%-0.09% 的驾驶员 11 倍于BAC 为0 的驾驶员。世界各国中，在英国:：7个事故死亡者中有1个与酒精有关；在荷兰：12个事故死亡者中有1个与酒精有关；在日本：20个事故死亡者中有1个与酒精有关；在德国：6个事故死亡者中有1个与酒精有关；在加拿大：43.5%的死亡事故与酒精有关；在美国：绝大部分州的法定BAC 是0.1%；在法国：6 个事故死亡者中有1个与酒精有关；在瑞典、芬兰：25%-29% 的严重损伤事故与酒精有关[2]。此外，在英国：25%至49%的严重损伤事故与酒精有关；在加拿大、美国：43%-63% 严重损伤事故与酒精有关。因此酒后驾车的监测对居民的人身及财产安全就显得必不可少。设计一款车载酒驾检测系统就具有强烈的现实意义和一定的商业前景。
本次设计基于MSP430单片机来实现相应功能。MS430单片机[3]是一个16位的，具有集成度高，功能丰富，功耗低等技术特点的混合型单片机。由于它具有极低的功耗，丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，受到国内外广大科技人员的欢迎。且由于价格便宜，而且可以用 C语言来完成程序设计，可以提高调试开发的工作效率，有着一定的应用前景。本次设计注重于产品的通用性和模拟性，设计的成果可移植到其他多个领域进行应用。
1.2 车载酒精检测系统的发展趋势
2007年，沃尔沃就提出了车载酒驾监测系统这样的概念，并且推出了一款名为“酒后驾驶闭锁（Alcoguard）”的技术，虽然该技术由于多种原因未能普及，但是它却开创了一个技术先河，并且为后来的技术发展奠定了一定的基础。目前，可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型。即燃料电池型（电化学）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型[4]。但由于价格和使用方便的原因，常用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种。而燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，材料成本高，价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。现如今，对于呼出气体中酒精含量的检测仪中，国内普遍采用半导体型酒精传感器。鉴于国内行情，本论文旨在设计一款新型的酒精检测仪，使人们能够更便捷地进行自我检查、提高安全意识，在学术、技术和应用上都有很大的意义。采用TI公司[5]的MSP430G2553 作为主控芯片，其凭借低功耗、高集成度、运算性能强大，抗干扰能力强等特点[6]，在低功耗、便携式仪器仪表等领域得到了很好的应
页 第 1
西安文理学院本科毕业设计（论文） 用和发展[7]。
1.3 本文研究内容和主要工作
本课题研究的重点是准确获得车内酒精浓度，并采用一定的数据处理手段，对是否达到醉驾标准进行判断以消除酒驾对车主人身及财产安全的潜在威胁。为了精准地采集到关于酒精浓度的数据信息，本次设计采用了专用型酒精传感器——MQ-3酒精传感器。MQ-3 酒精浓度传感器检测人呼出气体中酒精的浓度并且输出电压信号，然后把信号输出到高集成度的混合集成芯片MSP430作处理,并完成数据采集、判断处理、数据的传输等功能。具体过程如下：单片机采集酒精传感器的响应信号,并且进行转换，储存在数据存储器(SRAM) 中[8]，然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别, 并且将结果输出到LCD 显示屏幕上，同时可发出浓度阈值的声光报警信号。从而实现酒精检测的功能。
基于MSP430单片机对车载酒驾检测系统进行设计，包括线性稳压电源模块设计，数据检测采集单元设计、软硬件的数据处理、输出控制模块及液晶显示单元设计等。
页 第 2
西安文理学院本科毕业设计（论文） 第二章 酒精检测系统的总体分析
2.1酒精检测系统的工作原理
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[9]：
BAC(in mg/ L) = BrAC(in mg/ L) x 2200 （式 2.1） 其中，BAC 代表血液酒精度，BrAC 表示呼气酒精浓度，in mg/ L 表示以每升中多少毫克为单位。也就是说,以毫克/ 升为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以毫克/ 升为单位的呼气酒精浓度乘上系数2200 (由于各国的情况不同,在美国此系数采用2000，而欧洲很多国家采用2100) 。由于BrAC 受到环境温度、湿度,以及被测试者个体差异等多方面影响，其测试结果不如直接检测BAC 准确,但是该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考。MQ-3 型酒精传感器[10-14]主要由气敏元件和电热丝组成。当MQ-3 型传感器外接5 V 电压时，可将电热丝加热至270 ℃～300 ℃。电路将MQ-3 传感器的阻值变化转换为输出电压的变化，从而可以通过A/ D 转换成数字量供单片机处理。系统采用超高灵敏度酒精传感器，超低功耗单片机系统，自动探测酒精浓度的方法，可以防止驾驶人员逃避检测，以判断驾驶员是否是酒后开车。该系统可放置在汽车仪表盘位置，当司机发动汽车时，酒精检测系统启动，此时发动机处于被锁状态，汽车无法启动。酒精传感器加热后，酒精检测系统对酒精传感器探测的气体信号进行检测。由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。检测到的信号经过放大和滤波之后，通过单片机内置的12位ADC转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，使LCD 显示屏幕显示当前酒精浓度，同时正常指示灯亮起，控制继电器不起作用，汽车随之启动；反之，则进行声光报警，控制继电器切断点火装置电源。汽车启动后，控制仪态，只有酒精浓度探测电路一直工作，一旦驾驶人员驾驶过程中饮酒，酒精检测系统立即恢复到正常工作状态。
2.2酒精检测系统的主要功能与特点
该系统采用先进的超低功耗16位微处理控制器，采用气体传感器，高可靠、高精度 LCD液晶显示，美观清晰，精简式键盘操作，极佳人机交互界面，语音报警提示信息，报警点可调，预热时间短，响应恢复迅速。
2.3单片机的选型
我们在确定某一功能的器件选择时，往往要考虑多方面的因素，比如市场资源、单片机性能、研制周期等，其中性能要求是最重要的。因此，应根据系统要求和各种单片机性能，选择最容易实现产品技术指标的机种，而且能达到较高的性价比。
页 第 3
西安文理学院本科毕业设计（论文） 单片机的性能包括片内资源、扩展能力、运算速度、可靠性等几个方面。
MSP430 系列单片机[15]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 种经验交流Technical Communications低功耗工作模(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0.1 Μ，从低功耗模式到活动状态只需6 μ s，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。
该单片机主要有以下特点：
1) 具有很低的供电电压。单片机的供电电压最低可以低到1.8V，单片机的供电电
压范围是：1.8V~3.6V。
2) 超低的功耗。这是目前其他单片机没有的特色。他在休眠的条件下的电流只有0.
8uA，就是在2.2V、1MHz条件下工作的电流只有280uA。 3) 快速的唤醒时间。从休眠方式唤醒只需要6us。
4) 快速的指令执行时间。它采用的是16位的RISC结构，指令的执行时间只需要1
50ns，是传统单片机不能比拟的。
5) 片内有12位的A/D转换器，片内提供参考电压。A/D转换器具有采样保持和自
动扫描的特点。
6) 16位的定时器Timer_B带有7个捕获/比较寄存器。 7) 片内提供温度传感器。
8) 具有灵活的时钟设置。主要有以下几种方式：32kHz的晶体方式、高频率晶体方
式、谐振器方式和外部时钟源方式。这样可以根据功耗的要求进行灵活的时钟设置。
9) 16位的定时器Timer_A带有3个捕获/比较寄存器。 10) 片内提供模拟信号比较器。
11) 串口通信模式：USART0、USART1。两个串口都可以通过软件选择设置成UAR
T方式或者SPI方式，由于该系列单片机提供了连个串口，因此能为用户进行多通信设计提供方便。
12) 片内提供较多的存储器，MSP430F147提供的片内的FLASH为32KB，MSP430
F149提供片内的FLASH为60KB，同时片内还提供较多的RAM，以便进行运算处理。
13) 提供P1.0~P6.0共6个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。在提供的外围
页 第 4
西安文理学院本科毕业设计（论文） 数据端口中，有两个端口具有中断功能，这样能丰富硬件系统的中断资源，也为实现多任务系统提供方便。
14) 代码保护功能。单片机的安全熔丝能对程序的代码进行保护，从而可以对知识产
权进行保护。
15) 具有JTAG仿真接口，这样非常便于软件的调试。
页 第 5
西安文理学院本科毕业设计（论文） 第三章 硬件设计
3.1 系统的硬件原理框图
该系统主要是由键盘输入、传感器采集模块、液晶显示模块、语音报警模块和CPU处理模块等组成，整个系统的原理框如图3.1所示。
电源电路 电压变换电路 MSP430G2553单片机 控制装置 滤波电路 单片机内置12位A/D 键盘电路 调理放大 监控复位 LCD液晶显示 语音报警 MQ-3气体传感器 JTAG接口 图3.1 系统的整体框图
由图3.1可以看出，传感器模块与单片机的A/D通道进行连接，可以简化模拟采集的设计，从而减小设计的复杂性，增加系统的可靠性，也同时减小了PCB的面积。键盘输入模块是通过单片机的P1口来实现的，由于P1口具有中断功能，所以实现起来非常容易，并且也非常适合软件编程。电源及复位模块主要是为整个系统提供可靠的电源，另外考虑到系统工作需要有复位功能，因此也为系统提供复位信号。报警模块主要是单片机在检测到报警条件时，发出报警信号，从而驱动语音芯片实现报警功能。显示模块主要是为了得到实时，动态的数据。
3.2电源电路
如图3.2所示，220 V交流电压经过线性稳压电路后转为5V和3.3V直流电压，为系统提供所需电压。
页 第 6
西安文理学院本科毕业设计（论文）
图3.2 供电模块
电源电路中采用了三端固定输出集成稳压器，它是一种串联调整式稳压器，它将调整、输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件，只有输入、输出和公共接地3个引出端，通过外接少量元器件即可实现稳压。（由于本次设计旨在模拟车载酒精检测系统的实现过程，处于便捷性考虑采用了220 V电网电压。）
3.3酒精检测电路 3.3.1酒精传感器工作原理
MQ-3气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。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。MQ-3气体传感器灵敏度高，并且响应和恢复快速，可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，也可用于其他场所乙醇蒸气的检测。传感器表面电阻Rs的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL出面获得的。二者之间的关系表述为：
Rs/RL=VC-VRL/VRL （式3.1） 其中，VC为回路电压10V。负载电阻RL可调为0.5-200k，加热电压 Vh为 5V。上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需要将传感器预热5分钟。在正常环境中，即：没有被测气体的环境，设定传感器输出电压值为参考电压，这时，AOUT端的电压在1V左右，当传感器检测到被测气体时，电压每升高0.1V，实际被测气体的浓度增加20ppm（简单的说：1ppm=1mg/kg=1mg/L=1×10-6 常用来表示气体浓度，或者溶液浓度），根据这个参数就可以在单片机里面将测得的模拟量电压值转换为浓度值。传感器电路如图3.3所示：
页 第 7
西安文理学院本科毕业设计（论文）
图3.3 酒精检测接口
3.3.2 MQ-3传感器特点
1．具有信号输出指示。
2．双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
3．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）
4．模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。 5．对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性。 6．具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7．快速的响应恢复特性
3.3.3 MQ-3传感器特性参数
l、回路电压：(VC) 5-24V 2、取样电阻：(RL) 0.5-20KΩ 3、加热电压：(VH) 5±0.1V 4、加热功率：(P)约750mW
5、灵敏度：R0(air)/RS (100ppmC2H5OH)＞5 6、响应时间：Tres＜10 秒 7、恢复时间：Trec＜30 秒
3.4复位电路
在单片机系统里，需要复位电路。复位电路可以采用R-C复位电路，也可以采用复位芯片实现复位电路，R-C复位电路具有经济性，但可靠性不高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性。本次设计采用R-C复位电路。如图3.4所示：
页 第 8
西安文理学院本科毕业设计（论文）
图3.4 复位电路
3.5 键盘输入电路
键盘输入电路主要是用来输入数据，修改参数，从而实现人机交互。MSP430G2553 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4按键，分别为修改键、移位键、加一键、确定键。即P1.0～P1.3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，饮酒文化和各地区居民身体体质均呈现多元化的特性。为了适应这种多元化的需求，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。键盘的电路图如图3.5所示。
图3.5 键盘输入电路
页 第 9
西安文理学院本科毕业设计（论文） 键盘输入电路中只要有按键按下就可以被扫描到，但是按键按下时有一定的时间抖动，因此一定要考虑键盘的抖动处理。
3.6 LCD显示电路
系统的显示电路采用的是 NOKIA 5110 液晶显示方式，该模块使系统具备更强的人机交互性，更能直观地捕捉到酒精浓度的动态变化。同时，让整个系统显得更为人性化、智能化。电路如图3.6所示：
图3.6 显示屏接口
该模块具有以下特点：
●84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字；
●采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的SPI、MCS51 的串口模式等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。 ●可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。
●LCD 控制器／驱动器芯片已绑定到LCD 晶片上，模块的体积很小。 ●采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA 以下，且具有掉电模式。 本模块选用Nokia5110液晶基于以下理由[16]：
1) 性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，
30个字符。Nokia5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD128一般50~70元。
2) 接口简单，仅四根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD128需12
根。
3) 速度快，是LCD128的20倍，是LCD1602的40倍。
4) Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适
页 第 10
西安文理学院本科毕业设计（论文） 合电池供电的便携式移动设备。
3.7 语音报警电路
本次设计中语音报警模块采用的是ISD1760语音芯片[17]。当酒精浓度检测正常时，扬声器将发出“平安是福，一路顺风”的语音提示；当当酒精浓度检测异常时，扬声器将发出“请注意，醉驾行车可能危急您的幸福与平安”的语音提示。
3.7.1 ISD1700系列语音芯片的特点
语音系统是日常生活中不可或缺的一部分，ATM语音提示、公交车报站系统、语音门铃、电梯语音提示系统等随处可见。本次设计采用的是ISD1760语音芯片。
ISD1700系列是华邦公司推出的单片优质语音录放芯片，提供20秒~240秒可选的录放音时间，具有音质较好、简单易用、外围电路简单等特点，是开发语音系统的上佳选择。ISD1700系列芯片工作原理图如图3.7所示，芯片内部包括：麦克风前置扩大器、自动增益控制、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。
图3.7语音芯片工作原理图
基于ISD1700系列芯片的录音电路使用十分方便，具有以下特点：
1) 使用模拟处理存储方式，音频数据直接存储在固体存储器中，能提供更优质的语
音再现；
2) 电路断电后语音内容不会丢失，可保存一百年；
页 第 11
西安文理学院本科毕业设计（论文） 3) 可录放音十万次；具有多种工作状态提示音；可处理多达255段以上信息等； 4) ISD1700支持模式或SPI模式器件集成了优质的的消息管理系统，使得芯片
能够自动寻址各信息地址；
5) 集成了一个片上振荡器，一个带自动增益控制的麦克风前置放大器，一个辅助模
拟输入，抗混淆滤波器，多级擦除阵列，平滑滤波器，音量控制器等； 6) ISD1700系列语音芯片的工作电压范围宽，一般为2.4~5.5V，最高不能超过6V，
工作电流为20mA 可利用振荡电阻来自定义芯片的采样频率从而决定芯片的录放音音质。
3.7.2 ISD1700系列语音芯片的按键操作
ISD1700系列语音芯片[18]的按键操作有：
1 录音：按住REC键不放，同时LED灯会亮起，此时对着MIC说话，说话内容就会录进ISD1700 语音芯片里了。录完一段后抬起此键，LED会同时熄灭，再次按下则开始录第二段，以后的各段依次操作。
2 放音：有两种方式，边沿触发和电平触发。（注：录完音后放音指针会停留在最后录完段的起始地址处，此时放音则放最后一段）
A）边沿触发：点按一下PLAY键即放当前段，放音期间LED闪烁直到放音结束时熄灭。放音结束后放音指针指向刚放的段的起始地址处，即再次点按PLAY键还会放刚放完的这段。
B）电平触发：常按PLAY键芯片会把所有的语音信息全部播放，且循环直到松开此按键。
3下一首：执行放音操作前，点按一下FWD键放音指针会指向下一段，按两下则指向此段后的第二段起始。放音期间点按此键则停止播放当前段接着播放下一段，如果当前播放的是最后一段，则停止播放最后一段播放第一段。
4 擦除：按下ERA键可对语音信息进行擦除，单段擦除操作只能对第一段和最后一段有效，当放音指针位于第一段或最后一段时，点按此键则会擦除第一段或最后一段。放音指针相应的会跳到擦除前的第二段或倒数第二段。长按此键超过3秒芯片进入“全部擦除操作模式”，同时LED灯闪两下，继续按着此键，LED闪烁7下后熄灭，此时松开此键，芯片内的语音信息被全部擦除。
5 调音：按VOL此键可以调节芯片输出声音的大小。芯片默认输出为声音最大值，每点按一下，声音按4DB衰减。直到声音最小后，继续点按此键，每点按一下，声音增大4DB。(注：执行复位后，声音输出为最大）
6 直通：按住FT键，线录输入的信号会直接通过喇叭播放出来。
7 线录：把音频信号接到线录输入端，（注意信号端为插针的下边，插针的上边为信号地端）按住直通键（FT键），此时按下REC录音键音频信号就被录进芯片了。
页 第 12
西安文理学院本科毕业设计（论文） 3.8输出控制电路
该电路由继电器和发光二极管组成。其中红灯为报警指示灯,绿灯为行车指示灯。当酒精浓度小于阈值时时，绿灯亮，表示检测正常可以行车；当酒精浓度大于阈值时，红灯亮，表示检测为酒驾，不可以驾驶。以此来模拟酒精检测系统对行车状况的控制。输出控制电路如图3.8所示：
图3.8 输出控制电路
页 第 13
西安文理学院本科毕业设计（论文） 第四章 软件设计
单片机应用系统软件（检测程序）的设计，是系统设计最基本的工作，也是工作量较大的任务。
单片机应用系统的软件设计和一般在现成系统机上设计一个应用软件有所不同，后者是在系统机操作系统等支持下的纯软件设计[19]，而单片机的软件设计是在裸机条件下开始设计的，而且随应用系统的不同而不同。一般包括数据采集和处理程序、控制程序、人机通信程序数据管理程序等几个部分。图4.1给出了单片机软件的研制过程：
开始 问题定义 软件结构设计 编译成功 建立数学模型 画出程序流程 编写程序 N 修改程序 固化EPROM 结束
图4.1 单片机软件研制过程
一个控制器系统能否很好的运行和操作，一方面不仅要看其硬件设计的合理性和可靠性与否，另一方面还要看其软件系统是否能够可靠运行，或者能否满足用户的实际需要。工业中控制软件的编写所要遵循的一个基本原则，就是要使软件最大限度地与已设计的硬件达到良好的配合。
Y 汇编 仿真 4.1 软件开发环境
对于MSP430单片机，现有两种语言支持，即汇编语言和高级C语言。我们知道，用汇编语言编程工作量较大，但所编的程序效率较高；用高级语言编程简单方便，可移植性较强，但执行效率较差。
页 第 14
西安文理学院本科毕业设计（论文） 所以，在本系统中，我们选用高级编程C语言来进行软件的编程工作。而本次设计中程序的编写IAR FOR 430的运行环境下完成的。IAR Systems 是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。公司成立于1983年，迄今已有27年，提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。 国内普及的MSP430开发软件种内不多，主要有IAR公司的Embedded Workbench for MSP430（简称为EW430）[20]和AQ430。 目前IAR的用户居多。IAR EW430软件提供了工程管理，程序编辑，代码下载，调试等所有功能。并且软件界面和操作方法与IAR EW for ARM等开发软件一致。
4.2 系统软件结构
软件部分根据系统功能进行模块化编程。酒精检测系统的主程序流程图如图4.2所示，实现酒精浓度检测、酒精浓度是否超标判别、酒精浓度显示、语音报警等功能。系统初始化后，对酒精传感器进行加热，自动进入测量状态，然后采集酒精含量电压信号，与设定的精度浓度进行比较，如果高于这个浓度，则显示该浓度，并进行语音报警，同时切断点火电路，驾驶人员不能发动汽车；如果低于这个浓度，则显示所测的浓度，同时启动发动机。
开始 切断点火装置 系统初始化 Y 系统参数设置 有键盘中断 N 检测酒精浓度 低功耗状态 Y 大于设定值 结束 显示酒精浓度 语音报警 N
页 第 15
西安文理学院本科毕业设计（论文） 图4.2 主程序流程图
4.3 系统软件设计
系统的软件主要包括采集模块、显示模块、报警模块和主处理模块。下面就具体的各个模块进行介绍：
4.3.1数据采集模块
采集模块重要是获得MQ-3气体传感器的数据，该部分主要是通过MSP430G2553片内的A/D转换来完成数据的采集任务，采集的模拟参考电压采用片内的参考电压。数据采集的间隔时间通过定时器A来完成，就是在每次定时器A中断到来时读取A/D转换采集得到的数据，在读数据之前先停止A/D转换，在读取数据完毕后启动A/D转换，如果得到数据，则设置一个标志位通知主程序，告诉主程序已经得到新的数据。整个模块采用的是中断服务程序的结构完成。本设计采用单端输入,单次模式转换功能是该模块的关键,采用了标志位查询的方法。图4.3为该模块的程序流程图。
定时器A中断到来 停止A/D转换 读取数据 启动A/D转换 设置标志位
图4.3 数据采集模块程序流程图
为了使采集的数据更加的准确,循环采集N次数据,再把数据保存到一个数组中。再通过求这N个数据的平均值来确定传感器采集的信号。最后通过传感器信号与气体浓度的线性函数关系式计算出当前气体的浓度。具体流程图如图4.4所示。
页 第 16
西安文理学院本科毕业设计（论文） 初始化端口（I/O） 初始化所有变量 启动传感器 i小于采集的数据 N 采集数据存入数组 循环 Y i++ 求采集数据平均值 计算浓度 显示浓度
图4.4 信号采集
4.3.3显示模块
该部分主要由NOKIA 5110液晶屏完成数据的动态显示功能，该模块主要包括端口初始化和数据显示两个部分。其中NOKIA 5110写数据/命令和端口初始化的程序代码如下：
(1) SPI接口时序写数据/命令
Nokia5110(PCD8544)的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议，如果单片机有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常没有必要，只需要软件程序模拟即可。程序如下：
/*********************************************************** 函数名称：LCD_write_byte
函数功能：模拟SPI接口时序写数据/命令LCD
页 第 17
西安文理学院本科毕业设计（论文） 入口参数：data ：写入的数据； command ：写数据/命令选择； 出口参数：无 备 注：
***********************************************************/ void LCD_write_byte(unsigned char dat, unsigned char command) {
unsigned char i; LCD_CE = 0;
//5110片选有效，允许输入数据
//写命令
if (command == 0) LCD_DC = 0;
for(i=0;i<8;i++) }
LCD_CE = 1; }
(2) Nokia5110的初始化
接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。当VDD变为高电平，达到VDDmin(或更高)之后，最多100ms，RST输入低电平(电平幅度<0.3VDD)。
//禁止5110
{
if(dat&0x80)
SDIN = 1; SDIN = 0; else SCLK = 0; dat = dat << 1; SCLK = 1;
else LCD_DC = 1; //写数据
//传送8bit数据
页 第 18
西安文理学院本科毕业设计（论文） 图4.5 5110复位时序
/*********************************************************** 函数名称：LCD_init 函数功能：5110初始化 入口参数：无 出口参数：无 备 注：
***********************************************************/ void LCD_init(void) {
LCD_RST = 0; // 产生一个让LCD复位的低电平脉冲 delay_1us(); LCD_RST = 1;
LCD_CE = 0; // 关闭LCD delay_1us();
LCD_CE = 1; // 使能LCD delay_1us();
LCD_write_byte(0x21, 0); // 使用扩展命令设置LCD模式 LCD_write_byte(0xc8, 0); // 设置液晶偏置电压 LCD_write_byte(0x06, 0); // 温度校正 LCD_write_byte(0x13, 0); // 1:48
LCD_write_byte(0x20, 0); // 使用基本命令，V=0，水平寻址 LCD_clear(); // 清屏
LCD_write_byte(0x0c, 0); // 设定显示模式，正常显示
LCD_CE = 0; // 关闭LCD }
4.3.4语音报警模块
该模块主要由ISD1760语音芯片实现语音报警功能，主函数程序代码如下： void main(void) {
init();
//器件初始化
页 第 19
西安文理学院本科毕业设计（论文） }
while(1) { }
comm_sate(); //与上位机通信 if(playflg) { }
playflg = 0; //清0
spi_fwd(); //播放指针指向下一曲 delay_isd(30000); //延时 spi_play();
//播放当前 //播放标志位
4.4系统调试
系统的调试包括硬件调试和软件调试。下面分别进行介绍。
4.4.1 系统硬件调试
系统的硬件调试很简单，先调试电源电路和复位电路，只要这两个部分能正常工作，再进行单片机的调试，如果单片机的晶振能起振的话，则整个硬件的单片机部分没有问题。关于硬件系统的其他部分则需要结合软件进行调试。硬件调试结果图4.6，图4.7所示：
图4.6 检测正常时
页 第 20
西安文理学院本科毕业设计（论文）
图4.7 检测超标时
4.4.2系统软件调试
前面分别介绍各个软件部分，为了能够进行整个系统的联调，需要软件和硬件调试结合起来，对于不同的硬件部分，应该调用不同的软件模块进行测试。经过联合调试，整个系统的软件和硬件能够正常运行。
页 第 21
西安文理学院本科毕业设计（论文） 第五章 总结与展望
车载酒精检测系统是为预防交通事故发生情况而设计的，以基于MSP430车载酒精检测系统为研究对象，根据现有的现状及特点，在确定以单片机为核心的酒精探测控制系统总体方案后，重点论述了以MSP430单片机为核心的酒精检测系统的研究及研发。同时基于参数化、模块化设计的原则，详细介绍了基于MSP430单片机的酒精探测控制仪的软硬件设计，并实现数据的采集,线路简单,便于维护,并且有利于提高系统的稳定性、可靠性和性价比。
基于本论文的研究、设计和开发，在综合各方面，得出以下结论：
（1）在综合分析酒精探测系统优缺点后，提出用MSP430单片机设计酒精检测系统方案，而且该系统具有性价比高，智能化程度高，工作稳定可靠的优点。所以非常适合在需要控制人体酒精饮用以确保安全的各种行业和任何场合中推广应用。 （2）根据酒精控制仪现场的使用环境特点分析，提出实时显示、语音报警和键盘输入等功能，并且进行了全面的考虑，从而提高了酒精检测系统的工作可靠性。 （3）鉴于所设计的车载酒精检测系统是一类实用型的产品，因此，在综合考虑的基础上，我们对系统进行了硬件和软件的设计。
（4)所采用的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。从而为车载酒精检测系统的设计提供一种灵活性高且价格低廉的途径。
由于时间和条件所限，本文所涉及的某些工作尚未深入研究，在以后的工作中，可以对下述几个方面进行一些完善和改进。根据检测到的气体酒精浓度可将需要处理的情况划分多个等级，使检测结果更为科学化，合理化。再者，可采用多传感器对驾驶员实施检测，防止驾驶员利用检测系统设计上的不完善性逃避检测。最后可针对不同工作场合对该系统的参数做出不同的规定，以此提高该系统的专用性和可移植性。
页 第 22
西安文理学院本科毕业设计（论文） 致谢
本学位论文是在我的指导老师卢峰老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，卢老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持。并且在耐心指导论文之余，卢老师仍不忘拓展我们的专业知识，让我们对专业知识的理解和应用达到一个更深的层次。值得一提的是，卢老师尽心尽责，对学生在毕业设计中存在的问题都给予了悉心的指导。他谨严认真的工作态度对我产生了巨大的感染力，广阔深度的专业知识更使我受益匪浅。希望借此机会向卢老师表示最衷心的感谢！
此外，本文最终得以顺利完成，也是与实验室的老师的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，在此向他们表示深深的感谢！感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！
页 第 23
西安文理学院本科毕业设计（论文） 参考文献
[1] 黄树泉.酒后驾车的安全心理分析[J].安全,2010,(7):46-48
[2] McCammon. K. Alcohol2Related Motor Vehicle Crashes: Deter2rence and Intervention [J]. Ann Emer Med, 2001, 38 (14)：415~422
[3] 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.2004：21~25
[4] 岳睿. 警用呼气式酒精传感器的研究进展 [J] , 化学传感器, 2006, 3. [5] 赵志宏,李小珉,陈冬. 基于C8051 系列单片机的低功耗设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2006：54~58
[6] 何立民. 单片机高级教程应用与设计[M] . 北京:北京航空航天大学出版社,2000：41~43
[7] 潘祖军,朱文胜,岳睿.汽车用酒精传感器的分析[J].北京汽车,2007,(1):39-41 [8] 张文栋. 存储测试系统的设计理论及其应用[M] . 北京:高等教育出版社,2001 ：25~26
[9] 中华人民共和国国家标准.血液酒精含量的检验方法[S].GA/T842-2009,2009 [10] 何希才.传感器技术与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005：26~34 [11] 刘丰年. 气体传感器测试系统[D] . 硕士学位论文. 吉林:哈尔滨理工大学,2003：23~26
[12] 贾建.气体传感器智能测试系统和便携式酒精检测仪的研究[D].北京：中国科学院电子学研究所，2003.
[13] KVOV.MQ-3 酒精传感器 [OB/OL],http://www.Kvov.com/5173/xsc- zhangqing/12.Html,2013 -04-16/2013-05-16.
[14] 林吉申,黄文风,武建珊. 手持式乙醇测试仪的研制[J] . 传感器技术. 2000：16~19
[15] 杨平，王威.MSP430 系列超低功耗单片机及应用[J].应用天地，2008，27（12）：48-50 .
[16] 陈海峰; 微弱电流/电压转换电路的设计与仿真［J];上饶师范学院学报，2008,28(6):39-42.
[17] 方建谆，语音合成技术与单片微机综合系统[M].北京航空航天大学出 版社，1994.6.
[18] 伍万华，张国忠.一种基于单片机控制的电梯语音报站器[J].工业控制 技术，2005，（12）.
页 第 24
西安文理学院本科毕业设计（论文） [19] 马国华.监控组态软件及其应用[M]．北京:清华大学社,2001：21~36 [20] 唐思超.嵌入式系统软件设计实战——基于IAR Embedded Workbench [M]．北京:北京航空航天大学出版社,2007：28~35
页 第 25
系统电路图
附录1
西安文理学院本科毕业设计（论文） 页 第 26
西安文理学院本科毕业设计（论文） 附录2
Intelligent Test System for Gas Sensors and Alcohol Testing Instrument
ABSTRACT——The intelligent gas detect system，based on gas sensor array and pattern recognition technique has Promising application sin military，food industry，environment inspection. And it has become the research focus of the gas sensing technology in the last few years. In this dissertation，the gas sensor array testing system and the Portable alcohol detector were studied.
A portable intelligent alcohol detector was designed. The detector，with LCD display，USB interface and batter supply，shows good characteristics in its small size low power consumption and high accuracy. The hardware of the detector consists of a metal oxide micro gas sensor array，gas sampling apparatus and a signal professing unit with highs peed SOC microprocessor. The low Power clips were used to insure，that the whole system power is under 1.5W.A feature extraction and B-P neural，networks algorithm embedded in the single chip professor were Presented in order to avoid large amount of computation. The alcohol detector Performs well against disturbance of gasoline and Perfume.
Keywords: Gas micro sensor; Automated flow-injection apparatus; Microprocessor; Electronic Nose; Pattern-Recognition
1.1Chapter Introduction
The status of electronic nose research and development the late '80s, research in artificial intelligence has made significant progress; there has been the use of artificial intelligence pattern recognition technology for gas sensor system, the gas sensor technology to develop intelligent a major step forward. This has the recognition of gas sensor system called \"electronic nose\which can be detected through a variety of gas after the training component, to identify a specific gas. Objective needs and the development of sensors and intelligent technology makes the world after 90 years, electronic nose region. T Electronic nose has a very broad applications, it provides an objective gas, odor evaluation, and more quickly than manual evaluation more reliable. Electronic nose has been used in fermentation control in the food industry, food storage effect, fish freshness detection and so on. As the study of the depth and the improved performance of electronic nose, electronic nose, has been or will be monitored in the atmosphere, rapid real time testing of vehicle exhaust, security inspection, medical diagnosis, aerospace and military defense p
页 第 27
西安文理学院本科毕业设计（论文） layed an increasing role. A typical electronic nose system structure shown in Figure 1.1:
Figure 1.1 Electronic chart systems
Pattern recognition is part of the whole system, \"brain\a lot of samples of pre-training, a certain classification of decision making. For gas identification, the first acquisition sensor array signal, after filtering noise and distortion reduction preprocessing, feature extraction data, to classify concluded. Pattern recognition methods commonly used in statistical pattern recognition and artificial neural network pattern recognition, which artificial neural network has a good fault-tolerance and strong resilience has been applied in practice a lot. For example, in robot research, the electronic nose technology and artificial intelligence robot combining form sense of smell functions as an important part of the robot sensory organs, can help people in many sub-Yi dangerous environment. The current study of electronic nose children focus on the following directions: 1. Gas sensor array of research, it is a key part of the electronic nose system, including new sensitive mechanism, sensitive materials and the use of MEMS technology for preparation of micro gas sensor array research; 2. Pattern Recognition, including sensor drift compensation, feature extraction, recognition algorithm; 3. Practical Research.
Has commercialized electronic nose though more powerful, but expensive, such as an electric company Alpha Sub-nasal price from 43,000 U.S. dollars to 86,000 U.S. dollars range, but most have a large volume, not suitable for day the need for regular testing of gas. At present the premise of ensuring the sensitivity to realize simplified, small size, while reducing Low cost, is the electronic nose’s a big trend. Micro-structure gas sensor array and large-scale integrated circuits, high performance microprocessors using the electronic nose system can greatly reduce the equipment size; thereby developing the miniaturization of the electronic nose system can be used for intelligent gas detection equipment. Small or portable gas detection instrument is the application of gas sensor technology to areas of need for field operations in a number of occasions, such as petrochemicals pipeline maintenance, places such as underground operations has become necessary equipment. Now the market in the commercialization of gas detection equipment are many, but most of the gas is flammable gas detection alarm, some with a single sensor device whi
页 第 28
西安文理学院本科毕业设计（论文） ch uses an array of multiple sensors, these are the main instrument of the work or the output of the sensor response make a deal with the direct signal, the output response signal corresponding to the gas concentration range, the complex environment in the anti-interference ability is not high, prone to false positives, in particular, can not identify a similar gas. Intelligent gas detection instrument is the electronic nose system to practical step. But with the characteristics of small electronic nose instrumentation not yet widely used, mainly in what some difficulties need to be addressed: First, the performance of gas sensor array, although the micro-structure gas sensor array
There are many advantages, but long-term stability is poor and requires making a large number of experimental studies to improve the device performance; second purpose microprocessor such as the microcontroller is not enough to support a large number of calculations required for pattern recognition. We believe that with the progress of science and technology and human understanding of the olfactory process further, the functions of the electronic nose will surely increasing, prices will be cheaper, widely used.
1.2 The main thesis
In this paper, the gas sensor array for intelligent test system and portable alcohol detector two-part study. Intelligent Test System gas sensor array electronic nose’s Hardware architecture can be used as electronic nose, and other experimental studies of gas sensing technology platform; portable alcohol detector is the electronic nose. Small concrete results of practical research. Development of gas sensor array test system is designed to respond during the performance of gas sensor array gas research, through the use of automated test systems to reduce labor and the environment, improve test repeatability and reliability. The system's working mechanism and the electronic nose the same hardware system, the electronic nose of a hardware structure design, electronic nose can be pattern recognition algorithm. Micro-structure gas sensor array made great progress in the development, while alcohol SnO2 gas sensitive material research has been very mature, intelligent development of the technical conditions of alcohol detector has been in place, while at present there is a certain demand for it, so in the past Based on the research, a structure used in portable electronic nose system alcohol detector design, the equipment is small, low power consumption, higher recognition rate. In two parts in this article were tested on the gas sensor array detector system and the alcohol were discussed: the first intelligent gas sensor test system, the test system hardware, including automatic injection device and the data acquisition unit of two parts, by PC
页 第 29
西安文理学院本科毕业设计（论文） unified control plane software testing operations. In the paper, this part of the overall design of the first discussions were then divided according to function as automatic injection device, the data acquisition unit and PC, System Software 3. In the system development process, the development of a complete computer-controlled flow control device can be easily carried out on the 4-way real-time control of gas flow, with good usability, to replace the power flow display box in different occasions. In the PC machine control, using the \"programmable control\" approach, supported by pre-written script file, the system can automatically complete a series of test operations. The system as a gas sensor technology a good platform has been in the micro-structure gas sensor array applied research. The second part is the development of alcohol gas detector, detector hardware and the software is divided into two chapters. In the past, on the basis of electronic nose, developed alcohol can be a portable gas detection gas detector, single chip to handle it to the core, micro-structure gas sensor array for the sensitive element, combined with pattern recognition technology to a half of alcohol gases quantitative detection. The detector has the intelligent features, in more complex environments alcohol gas recognition. Which solved the portable systems that require low-power circuit design problem and propose a method of pattern recognition in SCM for and achieved good results?
Chapter alcohol detector hardware 2.1 Development Background
Discussed in previous chapters of smart gas sensor array test system for the gas sensor and the array of gas response characteristics, the electronic nose and artificial olfactory research provides a good experimental platform. Through the sensor array response characteristics of the gas can accumulate in different samples of a gas sensor array response data, if the data for further processing, such as in systems software with feature extraction and pattern recognition function, you can form a complete desktop electronic nose system. But such devices despite the high measurement accuracy, however, too large, not easy to move and bring to a particular environment for gas identification. Electronic nose system, you need to be small. Gas detection instrument is the industrial and mining enterprises, social utility and environmental protection necessary safety equipment. After several years of development, can be measured gas species, measuring range, precision, stability, life Deng Current small-scale gas detection equipment as easy to operate, small and portable, the advantages have been widely used in environmental monitoring, food and petrochemical industries, such as petrochemical plants in the reactor, tower, storage, wells and underground facilities under the confined space the workplace should be ent
页 第 30
西安文理学院本科毕业设计（论文） ered in the personnel or hot work operations, the detection by the scene, only this cunning 'can work in confined spaces to ensure the safety of personnel and the prevention of fire explosion accident. With the gas detection technology, with the characteristics of electronic nose instrumentation emerging small-scale, automated, increasingly high level of intelligence, can within a short time to detect a specific gas environment, and make prompt, alarm can also provide a more rough test results, for further more accurate detection of preparation, can improve efficiency. Gas detection instruments for alcohol is the application of one of the more extensive inspection equipment, such as used in traffic management, has a portable alcohol detector is used for car drivers to drink quick check; In addition, in wine, the food industry has used the measurement results can be used as an objective quality evaluation criteria. But traditional alcohol gas detector is the obvious shortcomings in the work environment vulnerable to interference from other gases, such as alcohol detector hardware check drunk driving on the road, cars with gasoline, people sprinkled perfume on the body detector that may affect the instruments, designed to reduce the volume of the device should be considered to simplify the gas sampling device and improve the circuit to meet the low power requirements and other issues; other portable detector operation who usually are on-site staff, are non-professionals, equipment operation can not be complex, human-computer interaction capabilities for the instrument design should also receive attention. Conventional metal oxide gas sensor based on the existence of gas selectivity is not high; the problem of poor anti-interference, using single sensor detection equipment in the detection of other gases, if there is interference prone to false positives arising from a similar response. The use of integrated micro-sensor array, the array cell extract cross-response signal processing circuit combined with pattern recognition, you can avoid the above problems. With differ measurement results, so we develop new types of detectors to improve detection accuracy. New alcohol gas detector should have the intelligent features, in some cases other gases interfere with the work of the electronic nose can be used. To miniaturization of electronic nose system based ethanol gas detection nt response characteristics through an array of sensor response characteristics of gas extraction can be rapid and reliable detection of alcohol gas, in particular, using pattern recognition technology, the first train on the detector calibration, make it \"learn\" to identify the gas to alcohol , can greatly improve the situation in many complex instrumentation to distinguish. Another device is generally more difficult to solve the long-term stability, drift and other problems can be conducting pattern recognition methods used in software to compensate. Discussed in this chapter is a
页 第 31
西安文理学院本科毕业设计（论文） portable alcohol testing instruments microstructure of metal oxide gas sensor array is Sensitive components, combined with pattern recognition technology for alcohol portable gas detection system. The instrument consists of four single.
Element sensor array devices, gas sampling devices and high-speed microcontroller as the core of the signal processing circuit are smaller in size, high accuracy and excellent performance and strong anti-interference ability. The paper introduces the work of the testing instruments .For theory and design, focus on low-power circuit design.
2.2 The basic structure of detector
By a small catheter, micro-pump pumping and stingy room (equipped with sensor array device) formed part of the gas injection to control the MCU core, signal acquisition and processing circuit and display, keyboard, PC interface circuit, as well as in the PC, running The artificial neural network training application software, as shown in Figure 6.1. Detector for gas detection work steps, the microprocessor controlled pump pumping test will be pumping gas into the gas chamber, while collecting the response of gas sensor array signals, and converted, stored in the data storage hardware Chapter Alcohol Tester (SRAM) and then save the data from the microcontroller to extract characteristic values identified by the identification of gas network and the results output to the LCD display screen. The characteristics of the portable system, testing Instrument with a smaller size, lower power consumption, processing circuit; and running in microcomputer software program SCM system that can be used pattern recognition algorithm program, which will in the next chapter for instruction.
Figure2.1 Composition of alcohol detector schematic
The alcohol detector system is one of the key technologies of low-power sens
页 第 32
西安文理学院本科毕业设计（论文） or arrays using MEMS technology manufactured by the micro-structure of metal oxide gas sensor array as gas sensor instrumentation. Microstructure of metal oxide gas sensor array characteristics are discussed in the introduction. Array of devices use small size, the device area 3x3mmZ, in the same patch of 2x2 sensors integrated units, each unit of work power consumption is less than 50mw, mask sputtering method with each element in the corresponding sensitive coating film, the cell membrane resistance at a certain operating temperature can produce specific changes in gas concentration changes in different degrees, with the response sensitivity, a shorter recovery time characteristics. Sensitive thin film sensor element changes in membrane resistance can be quickly reflected in gas chambers and concentration of gas components changes will be transformed into voltage signal, by microcontroller circuit D through knife collecting quantitative data to be its pattern recognition. The gas detector system identification technique is one of the key elements of the current e-nose system is widely used in pattern recognition technology is the use of BP neural network learning algorithm, which has a strong self-learning ability and adaptive ability of the environment, the process is to find an input and output between the non-linear system, can effectively be similar to the composition of gas identification. Furthermore, since the use of battery-powered portable systems, on the various parts of the circuit of the power equipment with stringent requirements, thus the use of low-voltage circuits, low power components, and optimized design of the power management function to ensure the battery circumstances to work longer hours following alcohol detection equipment on the specific description of the hardware circuits.
页 第 33
西安文理学院本科毕业设计（论文） Figure 2.2 Alcohol Tester system circuit diagram
2.3 System Power Management Circuit
Finally need to consider the power of choice. As a portable system, alcohol detector is battery powered power supply power supply, power supply voltage of about SV. The circuit of some devices work at low voltage, such as microcontroller, SRAM, and USB chips is 3.3V operating voltage, which requires the circuit design of SV in a 3.3V voltage conversion circuit. Use of low dropout voltage conversion device (LDO) 3.3V output voltage waveform although the linearity is better, noise is small, but very low power conversion efficiency, typically only about 20% to 30% in the consumption of large current, low power applications is negative; the use of switching DC-DC voltage conversion device power conversion efficiency reached 80%, but the output waveform has some ripple, output voltage terminal of the need to match the filter circuit to meet the requirements. By comparison, the use of the device LM2574 DC-DC converter for voltage (Figure 6.4), the supply voltage SV is converted to 3.3V, low-voltage devices that meet the job requirements, reducing the additional power, but also through well-designed filter circuit, also received good linear regulator output. Reducing power consumption, both in system design selected CMOS devices, low power surface mount components, not only to make the system smaller and the circuit energy consumption is reduced: In addition, in software design, the system uses a wait and swap power saving operating mechanism, while some devices are with Shutdown function, you can enter the power savin
g mode when idle, to further reduce power consumption.
Figure 2.4 Power supply voltage conversion circuit
2.4 Summary of detector circuit debugging
The basic function of the circuit including the LCD display, data acquisition, dynamic heating voltage output and so can refer to the previous chapter, the relevant design and implementation.
Power supply is used four NIMH rechargeable battery company, through commissioning, Each heating voltage drive circuit can output Max 4.5V voltage, in the case of heating sensor, while the collection of data stored, the total current can b
页 第 34
西安文理学院本科毕业设计（论文） e controlled in 250mA or less, some of which microcontroller circuit about I20mA, sensor array, the heating current is not higher than 80mA, the circuit below the pump pumping work 50mA, to meet the design goals of low power consumption. Detector hardware debugging is completed, through the preparation of SCM procedures and computer applications can be achieved in the detector gas recognition function, the next chapter on the detector design software programs specifically discussed.
第 35
页 西安文理学院本科毕业设计（论文） 外文文献中文翻译
摘要——采用气体传感器阵列与模式识别技术的智能气体识别仪器在军事、食品工业和环境检测等方面具有广阔的应用前景，近几年已成为气体传感技术领域研究的热点。本文着重开展了作为电子鼻硬件平台的气体传感器阵列测试系统和便携式酒精检测仪的研究。
研制成功的便携式酒精气体检测仪具有低功耗、智能化的特点，采用电池供电，LCD显示和USB接口，操作方便。检测仪硬件由微结构金属氧化物气体传感器阵列、气体进样装置及高速SOC单片机为核心的信号处理电路组成。在硬件设计中，着重于低功耗电路的设计，采用低功率器件和省电管理模式，使整个系统的工作功率低于l.Sw。软件方面针对模式识别的运算量大的问题，提出了单片机中特征提取和嵌入式BP神经网络算法，提高了单片机处理速度。该检测仪在有汽油、香水等干扰的酒精检测中取得了良好的效果。
关键词：气体传感器阵列；进样装置；单片机；电子鼻；模式识别 气体传感器研究的现状和发展
传感技术是信息技术的主体技术之，在航天、军事、环境、安全检查等领域广泛使用气体传感器进行实时气体监测、报警，而在食品、化工等工业领域中也大量使用气体传感器进行气体、气味鉴别。应用的需求带动了气体传感技术的快速发展，国内外在这方面的研究不断深入，目前己发展出许多不同类型的气体传感器，能满足不同场合使用的要求。把气体传感器与专门的检测分析电路结合，能够进行特定气体的定量半定量的检测、分析。在这些气体传感器中，金属氧化物半导体气体传感器因具有价格低廉，便于大量制造的特点，从而得到较多的应用。金属氧化物半导体气体传感器主要是利用半导体材料颗粒表面吸附特定气体后表面电阻值会发生变化的特性制成的，是一种电阻型传感器，多数是以可燃性气体为检测对象，其气敏电阻值与气体的浓度具有一定的对应关系。传统结构的金属氧化物气体传感器不仅体积较大，而且功耗也很高，在很多场合无法很好满足使用要求，同时市场的需求发展要求气体传感器器件使用更方便，价格更便宜，因此传感器微型化是研究发展的必然方向。不断发展的传感器制造技术为新一代气体传感器的研制奠定了坚实的基础。采用成熟的半导体微电子技术及厚膜、薄膜技术制造气体传感器，可以实现器件微型化、集成化，减少器件的工作功耗，并且使传感器器件能够批量生产，从而降低了成本，同时传感器的致州毛和可靠性也可以得到保证。微结构传感器有许多优良的性能，体积小、功耗低、工作温度可以精确测定和控制、不受环境影响、批量生产成本低、一致性和可靠性好、易与信号采集和处理电路集成而实现智能化等。
单一或分立的传感器元件由于存在的长期稳定性和选择性不好的问题，无法很好地满足实际应用的要求;而另一方面在涉及传感器应用的大量实际问题中，所要分
页 第 36
西安文理学院本科毕业设计（论文） 析的对象气体是包含多种成分的混合物，混合组分气体进行识别测量己成为气体传感技术研究发展的热点。在单一传感器的选择性相对不容易提高的情况下，可以通过同时使用多个传感元件或改变气体传感器工作条件提取特征信号进行判别来解决这一问题。将分立的传感元件组合在一起组成传感器阵列，这样通过获取传感器的信号从原来的单传感器的单参数变为阵列的多参数，增加了信息量。目前国内外已经有了许多研究单位进行了传感器阵列的研究，取得了很大的进展。利用微结构气体传感器的易于集成的优点，把多个气体传感器单元集成在同一芯片中，研制出微结构传感器阵列器件。另外随着信息技术的发展，特别是算机网络技术的不断进步，对智能传感器的接口通信功能提出了新的要求。为了实现信息的采集、处理和传输的协同和统一，出现了基于现场总线的智能传感器网络，这是新的传感技术应用，智能传感器采用标准的数据通信协议，无需专门的电路和软件就可以直接与其他设备相连接。
1.1电子鼻研究的现状和发展
80年代后期，人工智能的研究取得了重大进展，出现了利用模式识别等人工智能技术的气体传感器系统，使气体传感器技术向智能化发展迈进了一大步。这种具有识别功能的气体传感器系统称为“电子鼻”，其经过训练后可以检测多种气体成份，进行特定气体的识别。客观的需要以及传感器和智能化技术的发展，使得在90年代后世界各国、地区对电子鼻.技术的研究不断深入，并在产品化方面取得了许多成果。电子鼻有着十分广阔的应用领域，它提供了一种客观的气体、气味评价，而且比人工评测更迅速更可靠。电子鼻.已经在食品工业中应用于发酵控制、食物贮存效应研究、鱼肉新鲜度的探测等方面。随着研究的深入和电子鼻性能的改进，电子鼻，已经或即将在气氛监测、汽车尾气的快速实时测定、安全检查、医学诊断、航空航天以及军事国防等方面发挥越来越多的作用。典型的电子鼻系统结构如图1.1:
模式识别部分是整个系统的“大脑”，预先进行大量的样本训练，得到一定的分类决策方法。进行气体识别时，首先采集传感器阵列信号，经过滤除噪声、还原失真等预处理过程，提取特征数据，进行分类判别后得出结论。由于模式识别计算量大，该部分多由PC机实现识别。目前电子鼻的研究集中在以下儿个方向:1.气体传感器阵列的研究，它是电子鼻系统中关键性部分，包括新的敏感机理、敏感材料的研究和用MEMS技术进行微型气敏阵列制备的研究;2.模式识别研究，包括传感器漂移补偿、特征提取、识别算法等;3.实用化研究。
页 第 37
西安文理学院本科毕业设计（论文） 目前已商品化的电子鼻尽管功能较强，但价格昂贵，而且大都具有较大的体积，不适合日常检测气体的需要。目前在保证灵敏度的前提下，实现简易化，小型化，同时降低成本，是电子鼻的一大发展趋势。微结构气体传感器阵列和大规模集成电路、高性能微处理器的使用可以使电子鼻系统设备体积大大减小，由此开发出的小型化的电子鼻系统将可以成为常用的智能化气体检测仪器。但具备电子鼻特点的小型检测仪器目前还未广泛的使用，主要存在一下几个难点需要解决:一是气体传感器阵列的性能，微结构气体传感器阵列虽然
有许多优点，但长期稳定性较差，需要在进行大量的实验研究，改善器件的性能;二是目微处理芯片如单片机还不足以支持模式识别所需的大量计算。相信随着科学技术的进展和人对嗅觉过程了解的进一步深入，电子鼻的功能必将日益增强，价格也将越来越便宜，得到广泛的应用。 1.2论文的主要工作
本文主要进行了气体传感器阵列智能测试系统和便携式酒精检测仪两部分的研究。气体传感器阵列智能测试系统采用电子鼻.的硬件结构，可以作为电子鼻和其它气体传感技术研究的实验平台;便携式酒精检测仪是电子鼻.小型化实用化研究的具体成果。研制气体传感器阵列测试系统的目的是在进行气体传感器阵列气体响应性能的研究时，通过采用自动化测试系统，减少人工和环境的影响，提高测试的重复性及可靠性。该系统的工作机制与电子鼻硬件系统相同，因此采用电子鼻一的硬件结构设计，也可以进行电子鼻的模式识别算法研究。
微结构气体传感器阵列的研制取得较大的进展，同时对酒精气体敏感的SnO2材料研究已经十分的成熟，开发智能化酒精检测仪的技术条件已经具备，同时目前又存在一定的市场需求，所以以往研究的基础上，提出了一种采用电子鼻系统结构的便携式酒精检测仪设计方案，该仪器体积小，功耗低，有较高的识别率。在论文中这部分先进行了总体设计讨论，再根据功能划分为自动进样装置、数据采集单元和PC机系统软件三.章。在PC机控制方面，采用了“可编程控制”的方法，支持通过预先编写脚本文件，使系统能够自动完成一系列测试操作。该系统作为气体传感技术研究的良好平台，己经在微结构气体传感器阵列的研究工作得到应用。第二部分是酒精气体检测仪研制，分为检测仪硬件和软件两章。在以往电子鼻研究的基础上，研制了一台可进行酒精气体检测的便携式气体检测仪，它以单片机为处理核心，微结构气体传感器阵列为敏感元件，结合采用模式识别技术对酒精气体进行半定量检测。该检测仪具有智能化的特点，能在较复杂的环境中进行酒精气体的识别。其中解决了便携式系统所要求的低功耗电路的设计问题，提出了一种可以在单片机进行模式识别的方法，并取得了良好的效果。 第2章 酒精检测仪硬件 2.1发展背景
前几章所讨论的智能气体传感器阵列测试系统为气体传感器及其阵列的气敏响
页 第 38
西安文理学院本科毕业设计（论文） 应特性、电子鼻和人工嗅觉的研究提供了良好的实验平台。通过对传感器阵列的气体响应特性的研究，可以积累不同样品气体对某一传感器阵列的响应数据，如果对数据进行进一步的处理，比如在系统软件上加上提取特征和模式识别的功能，就可以组成一个完整的台式电子鼻系统。但是这样的设备尽管有很高的测量精度，然而体积过大，不能方便地移动和携带到特定的环境中进行气体的识别。将电子鼻系统，就需要将其小型化。气体检测仪表是工矿企业、社会公用事业、环境保护等领域必备的安全装备。。随着气体检测技术的发展，具备电子鼻的特点小型检测仪器不断出现，自动化、智能化程度也越来越高，可以在较短的时间内对特定的气体环境进行检测，做出提示、报警，也可以提供较粗略的检测结果，为进一步的更精确的检测提供准备，能有效地提高工作效率。目前酒精气体检测仪器是应用较为广泛的检测设备之一，例如在交通管理方面，己有便携式的酒精检测器用于汽车驾驶员是否饮酒的快速检查;此外在酿酒、食品工业中也有使用，测量结果可以作为客观的质量评判标准之一。但是传统酒精气体检测仪存在的缺点也是显而易见的，在工作中易受环境中其他气体的干扰，比如在酒精检测仪硬件路上检查是否酒后驾车，汽车中的汽油，人身上洒的香水就可能影响检测仪的测量结果，因此希望研制新型的检测仪提高检测的准确性。新型酒精气体检测仪应具有智能化的特点，能在一定其他气体干扰的情况下工作，可以采用电子鼻.系统的结构，通过模式识别方法辨识酒精气体。以小型化的电子鼻系统为基础的酒精气体检测仪器，在设计上应考虑减小仪器的体积、简化气体的进样装置和改进电路以满足低功耗要求等问题;另外便携式检测仪的操作者通常情况下是现场人员，属于非专业人员，仪器的操作不能复杂，因此对于仪器的人机交互功能在设计上也应得到重视。整个仪器由四元传感器阵列器件、气体进样装置及高速单片机为核心的信号处理电路组成，具有体积小、准确度高、抗干扰能力强等优良性能。文中主要介绍该检测仪器的工作原理和设计，着重于低功耗电路的设计。 2.2检测仪基本结构
由细导管、微型抽气泵和小气室(安装有传感器阵列器件)组成的气体进样部分，以单片机为核心的控制、信号采集处理电路以及显示、键盘、PC接口电路，还有在PC机上运行的用于人工神经网络训练的应用软件，如图6.1所示。检测仪进行气体检测的工作步骤是，单片机控制抽气泵将待检测的气体抽入气室，同时采集气体传感器阵列的响应信号，并进行转换，储存在数据存储器第六章酒精检测仪硬件(SRAM)中，然后单片机从保存的数据中提取特征值，由识别网络进行气体识别，并将结果输出到LCD显示屏幕上。针对便携式系统的特点，检测仪设计了具有较小的体积、较低功耗的处理电路;并且在单片机的运行软件程序中编写了可用于单片机系统的模式识别算法程序，这将在下一章进行叙述。
页 第 39
西安文理学院本科毕业设计（论文）
图2.1 酒精检测仪的组成
该酒精检测仪系统的关键技术之一就是低功耗传感器阵列的制备，采用由MEMS工艺制造的微结构金属氧化物气体传感器阵列作为检测仪器的气体敏感元件。微结构金属氧化物气体传感器阵列的特点在引言中有讨论。选用的阵列器件体积小，器件面积3x3mmZ，在同一膜片中集成了2x2个传感器单元，每个单元的工作功耗小于50mw，并用掩模溅射的方法在每个单元镀上相应的敏感薄膜，各单元膜电阻在一定的工作温度下能对特定气体浓度的变化产生程度不同的变化，具有响应灵敏，恢复时间短的特点。传感器单元敏感薄膜的膜电阻变化能迅速的反映气室中气体组分和浓度的变化情况，将其转变为电压信号后，可由单片机通过刀D电路采集量化为可以进行模式识别的数据。检测仪系统的气体识别技术的也是关键要点之一，目前电子鼻系统中应用较为广泛的模式识别技术是采用BP算法进行学习的神经网络，它具有很强的自学能力和对环境的自适应能力，其处理过程是寻找一种输入和输出之间的非线系，可以有效的进行相似成分的气体辨识。此外由于便携式系统采用电池供电，对设备各部分电路的功耗要求较严格，因而在电路中采用低工作电压、低功耗的元器件，并且优化设计了电源管理功能，保证在电池供电的情况下能工作较长时间下面就该酒精检测仪器硬件电路进行具体叙述。
页 第 40
西安文理学院本科毕业设计（论文）
图2.2酒精检测仪系统电路框图
2.3 系统电源管理电路
最后还需考虑电源的选择。作为便携式系统，酒精检测仪的电源供电方式是电池供电，供电电压约在SV。而电路中的有的器件工作在较低的电压下，如单片机、SRAM和USB芯片等是3.3V的工作电压，这就需要在电路中设计SV一3．3V的电压转换电路。使用低压差电压转换器件(LDO)虽然输出的3.3V电压波形线性度较好，噪声很小，但功率转换效率很低，通常仅为20%到30%，在消耗较大电流时对低功耗应用系统来说是不利的;而采用开关型DC一DC电压转换器件的功率转换效率到达80%以上，不过输出的波形有一定的纹波，需要在输出电压端设计相匹配的滤波电路才能满足要求。通过对比，采用DC一DC器件LM2574进行电压转换(图6.4)，将SV供电电压转换为3.3V，即可以满足低电压器件的工作要求，减少了额外的功耗，而且通过设计合理的滤波电路，还获得了较好的稳压线性输出。在降低功耗方面，在系统设计中均选用了CMOS器件、低功率表贴元器件，不仅使得系统体积较小，而且电路功耗也得到降低；此外在软件设计上，系统使用了等待和掉电的节电运行机制。
图2.4 电源电压转换电路
页 第 41
西安文理学院本科毕业设计（论文） 2.4检测仪电路调试及小结
电路的基本功能包括LCD显示，信号采集，动态加热电压输出等等可以参考前一章的相关设计实现。电源是采用4节镍氢充电电池连，经过调试，每路加热电压驱动电路可以输出最高4.5V的电压，在对传感进行加热的情况下，同时进行数据的采集保存，总电流可以控制在250mA以内，其中单片机电路部分约I20mA，传感器阵列加热电流不高于80mA，抽气泵工电路低于50mA，满足了设计中的低功耗目标。检测仪硬件电路调试完成后，通过编写单片机程序和计算机应用程序，可在检测仪中实现气体识别等功能，下一章就检测仪的软件程序设计具体进行讨论。
页 第 42
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容