酒精检测系统设计论文选题

在食品工业、酿酒行业、石化和工矿企业、环境检测、公安交通管理、社会公用事业等一些国民经济生产和人们工作生活的领域和场合中，常常需要检测特定环境中酒精气体的浓度，以确保工厂企业环境安全和人民生命财产安全[1-4]。如监控酒精生产车间和石化厂的酒精浓度，可以避免工厂起火和爆炸事故的发生；监测工矿企业场地的酒精浓度，能避免工作人员出现酒精中毒等恶性事故；检测司机体内酒精含量，可以防止驾驶人员酒后驾车，减少恶性交通事故的发生。因此，研制酒精气体浓度检测仪具有十分广阔的现实和潜在的市场需求，并具有十分重要的意义。传统的酒精气体检测仪因传感器性能、电路设计、数据处理算法等原因，存在着气体选择性不高、抗干扰性能差、智能化程度低、仪器操作复杂、无法实时保存和调看数据等突出问题[3-4]。鉴于此，笔者设计和研制了一种无线智能酒精浓度探测仪，弥补了传统酒精检测仪器的缺点和不足。

1 系统总体方案

该酒精浓度探测仪由发送端和接收端两部分组成，其原理框图分别如图1和图2所示。发送端主要包括酒精浓度传感器与A/D转换电路、STC90C52RC单片机、浓度阈值设置与声音报警电路、语音播报电路、LCD显示电路和无线收发电路六部分；接收端由无线收发电路、STC90C52RC单片机、数据接口通信电路和上位计算机组成。

2 系统硬件电路设计

传感器电路与A/D转换电路

TGS2620为日本费加罗(FIGARO)公司生产的一款可以探测气体中酒精浓度的半导体气体传感器，具有灵敏度高、功耗低、寿命长、成本低等特点[5-6]。其电路连接如图3所示，其中，RH为加热器电阻，室温下时为83±8 Ω；RS为传感器电阻，其阻值和还原性气体浓度之间的数学关系为：

通过检测VRL就可以确定出待测气体浓度C。

电路中运放OP07接成电压跟随器形式，对传感器和后级电路进行隔离，减小电源波动和外界因素对采样数据的影响。ICL7660是MAXIM公司生产的小功率极性反转电源转换器，作用是将+5 V电源变换成-5 V电源为OP07供电。其中，CC2采用漏电小、介质损耗低的10 μF钽电容，以提高电源转换效率。TLC1549是TI公司生产的10位分辨率逐次逼近型ADC芯片，具有自动采样和保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，在满刻度时总误差最大仅为±1 LSB。

LCD显示、阈值设置与声音报警电路

16×2个字符液晶显示模块DM-162显示报警阈值和酒精浓度值。为了减少单片机I/O口的使用数量和简化电路结构，采用间接控制(4位数据总线)方式，接口电路如图4上部分所示。初始化时，需写入28H指令码将8位总线转为4位数据接口方式。管脚BLA、BLK和VL分别是液晶背光源正极、负极和显示对比度调整端，RS、E分别是寄存器选择端、读/写信号线和使能端。

酒精浓度阈值设置和声音报警电路如图4下部分所示。当设置键S1按下时，进入阈值设置(初始阈值为500 ppm)界面，再按下键S2或S3，对阈值作增加或减小操作，步长为20 ppm。阈值设置好后写入STC90C52RC单片机片内5 KB EEPROM的第一扇区2000H和2001H地址中，使系统重启不必重新设置。若酒精浓度值大于阈值，将口线置为低电平，三极管8550驱动蜂鸣器发声音报警。

语音播报电路

采用华邦(Winbond)公司的ISD2560语音录放集成芯片作酒精浓度值播放，电路如图5所示。话筒采用差分形式接入到片内前置放大器的MIC端和MIC REF端，以抵消噪声和提高输入共模抑制比。扬声器接成双端输出形式，输出功率为单端用法时功率的4倍。单片机的P2口、和口线分别与地址线A0~A9相连，用来设定ISD2560片内480 KB EEPROM(地址为0H~257H)中存储语音段的起始地址，录音和放音功能均从该起始地址开始，录音过程中信息段地址自动增加。本系统在ISD2560中需录入语音信息有：“当前酒精浓度值为”、“零”、“一”、“二”、“三”、“四”、“五”、“六”、“七”、“八”、“九”、“十”、“百”、“千”、“点”、“ppm(浓度单位)”。由于ISD2560的语音录放时间为60 s，按每秒3个汉字计算，则可录放180个汉字，因此满足播报要求。此外，通过、和口线可以配置ISD2560的操作模式[7-8](地址为300H~3FFH)。口线分别用来控制语音芯片的片选、芯片的开关、录音/放音模式选择。口用来判断芯片的存储空间是否已经填满或者信息存储是否溢出。由于录音时在每个信息段结尾处自动插入标志，当放音遇到该标志时产生宽约为 ms的负脉冲。用口检测到此脉冲的上升沿后才播放另一段录音，避免语音播放不连续。

无线收发电路

系统采用NORDIC公司生产的工作于 5 GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片nRF24L01完成无线数据的收发工作，nRF24L01的最高传输速率为2 Mb/s，电路如图6所示。稳压芯片 V将5 V输入电压转换成 V给nRF24L01供电。nRF24L01与单片机接口为四线SPI方式，CSN、SCK、MOSI、MISO管脚分别是SPI的片选使能线、时钟线、数据输入线、数据输出线。IRQ为中断信号线(低电平有效)，接至单片机的外部中断管脚，单片机主要是通过该接口线与nRF24L01进行通信并判断数据接收和数据发送是否完成。CE为芯片的RX/TX模式选择线。IREF为参考电流输入端，通过22 kΩ电阻接地。管脚ANT1和ANT2给天线提供平衡的RF输出，通过后接的简单射频网络匹配电路获得单端50 Ω的阻抗输出。网络匹配电路在发送模式时阻止谐波，在接收模式时克制本地振荡漏出。VDD_PA管脚输出 V电压，给片内功率放大器提供电源。

数据接口通信电路

接收端的计算机与单片机间的通信由串行USB接口集成电路CH340T完成，如图7所示。CH340T支持或者通信，具有仿真接口，并且可以升级外围串口设备，支持常用的MODEM联络信号，支持IRDA规范的SIR红外通信，提供RS23RS48RS422接口等功能。CH340T内置有独立的收发缓冲区，支持通信波特率50 b/s～2 Mb/s的单工、半双工、全双工等异步串行通信。图7中，在CH340T芯片的发送脚TXD上反接一个二极管1N4001，防止该引脚将电流倒灌到单片机；在接收引脚RXD上加一个300 Ω的限流电阻来防止单片机对CH340T倒灌电流；从而避免电流倒灌导致不需要供电工作的另一方芯片继续工作。

3 系统软件设计

下位机软件设计

下位机的程序开发和调试是在Keil μVision4集成开发环境下进行的，包括发送端和接收端的软件设计。

发送端软件设计

发送端软件流程如图8所示。单片机上电后进行系统初始化，完成单片机内部系统变量的初始化以及TLC154DM-16ISD2560和nRF24L01等外部设备的初始设置；然后延时大约5 min，预热传感器TGS2620，保证传感器工作正常；程序初始化结束后，系统进入监控状态。若报警阈值设置键按下，进入报警限设置模式；若录音键按下，进入录音模式；然后启动A/D转换获取采样数据，作滤波处理、标度变换和系统误差校正后得到被测酒精浓度值。该值与报警阈值比较，若结果是“大于”或“等于”，启动蜂鸣器发声程序，作声音报警，提示酒精浓度超标；接着该值在DM-162液晶模块上实时显示；最后判断放音键是否按下。若按下则根据酒精浓度值查找ISD2560中对应语音信息的存储地址开始放音；放音结束后，该值由nRF24L01发送程序发送到接收端；待发送完成后，采集、显示和发送新一轮的酒精浓度数据。

发送端软件应用了防脉冲干扰平均滤波法[9]对A/D采样数据作预处理。其原理是：连续采样K次，然后对这K个采样数据进行比较，去除其中的最大值和最小值，计算剩下的K-2个数据的算术平均值作为采样有效值。该方法融合了中位值滤波法和算术平均滤波法的优点，既可去掉脉动性质的干扰，又可消除偶然出现的脉冲性干扰引起的采样值偏差。为加快计算速度，设计数字滤波器时K=10。

为了提高系统的实时性，软件中采用分段线性插值法[10-11]作标度变换。过程如下：(1)按传感器TGS2620的标定曲线，将该曲线进行非等距分段(曲率变化大(小)时，样点距离取小(大))，选取各分段点坐标(VRLi，Ci)(i=0，1，…，M)，其中：VRLi和Ci分别为不同样点时传感器输出电压值和对应浓度值；(2)计算相邻样点间的拟合直线斜率ki=(Ci+1-Ci)/(VRLi+1-VRLi)(i=0，1，…，M-1)；(3)将M组坐标数据(VRLi，Ci)和对应斜率ki存储于单片机片内EEPROM的第二扇区(地址为2200H~23FFH)中；(4)每采集到一个电压值VRL即查询EEPROM表，找出VRL所在区间(VRLi，Ci)~(VRLi+1，Ci+1)，取出该区间(VRLi，Ci)和ki数据，用线性插值公式C=Ci+ki(VRL-VRLi)计算出当前酒精浓度值C。

将采集到的N个样本数据(xi，yi)代入式(5)中即得到系数a、b的值，并存入单片机的内存单元中。系统测量时，将标度变换后的酒精浓度测量值x代入误差校正方程y=ax+b中，即可得到校正后的酒精浓度值y，从而达到消除系统误差的目的。

接收端软件设计

接收端单片机的软件流程如图9所示。接收端开机上电后，程序初始化设置nRF24L01和串口，然后进入监控场景。当nRF24L01接收到一帧完整的酒精浓度数据后，立即通过串口发送到上位机。接收端单片机与PC之间数据交互采用异步通信模式。独立波特率，串口协议设置为：波特率9 600 b/s，8 bit数据位，1 bit停止位，无校验位。

上位机软件设计

上位机用户界面采用通用的基于对象的程序设计语言Microsoft Visual Basic 开发，实现酒精浓度数据的接收、显示和保存。软件用到了串行通信控件MSComm。MSComm控件是Microsoft公司提供的Windows下串行通信编程的ActiveX控件，通过对此控件的属性和事件进行相应的编程操作，即可轻松地实现串行通信。串口通信协议与接收端完全相同。上位机软件的程序流程如图10所示。

4 系统测试

为了检验本系统的测量性能，采用无水乙醇和纯净水按照一定体积比配制标准的酒精溶液作为被测量对象，测试结果如表1所示。其中：单位ppm=μg/mL表示1 mL酒精溶液中含酒精的质量。由测量结果可以看出，测试数据覆盖传感器的量程，测试最大相对误差小于±2%，优于同类设计产品[3-5]。

为了获得本仪器发送端与接收端的最大无错误率的通信距离，在室外进行了nRF24L01随距离的错误率(临界区间)测试实验，结果如表2所示。其中，每米的错误率是10次试验后计算得到的平均值。可见，nRF24L01的传输距离可达到100 m，略高于RFID、ZIGBEE和蓝牙等无线通信技术[12]。

5 主要技术指标

本仪器主要技术指标如下：(1)测量范围：50~5 000 ppm；(2)灵敏度(传感器电阻变化率)：；(3)测量精度：≤±2%；(4)传输距离：≤100 m；(5)工作电源：DC+5 V；(6)工作环境温度：-40 ℃~+70 ℃；(7)工作环境相对湿度：0~85％RH。

6 结束语

本文设计研制了一种基于STC90C52RC单片机、TGS2620酒精传感器和nRF24L01无线通信芯片的酒精浓度探测仪。该仪器现已投入到成都市某小型酿酒厂酒池的实际生产中。现场工作情况表明：系统运行正常，工作可靠；系统具有气体选择性和灵敏度高、稳定性好、智能化程度高、通信距离远、功耗低、抗工业干扰能力强、性价比优异等优点。该仪器可以应用于食品加工行业、工矿企业、石油和化学工业、环境检测与保护、社会公用事业、高空作业人员、公安交通管理（如酒后驾车、交通警察执法）等需要现场检测或无线遥测酒精气体浓度的场合中，市场应用前景广阔、推广价值较高。

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[12] 佚名.各种主流无线通信技术[EB/OL].(2018-05-11)[2019-07-03]..

胡仕兵，陈子为

(成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都610225)

一、科技论文的含义科学技术论文简称科技论文。它一般包括：报刊科技论文、学年论文、毕业论文，学位论文(又分学士、硕士、博士论文。科技论文是在科学研究、科学实验的基础上，对自然科学和专业技术领域里的某些现象或问题进行专题研究，分析和阐述，揭示出这些现象和问题的本质及其规律性而撰写成的文章。也就是说，凡是运用概念、判断、推理、论证和反驳等逻辑思维手段，来分析和阐明自然科学原理、定律和各种问题的文章，均属科技论文的范畴。科技论文主要用于科学技术研究及其成果的描述，是研究成果的体现。运用它们进行成果推广、信息交流、促进科学技术的发展。它们的发表标志着研究工作的水平，为社会所公认，载入人类知识宝库，成为人们共享的精神财富。科技论文还是考核科技人员业绩的重要标准。二、科技论文的特点 1、学术性学术性又称理论性。科技论文是一种纯学术性的文章。它要求运用科学的原理和方法，对自然科学领域新问题进行科学分析，严密论证，抽象概括。虽然它取材于某一研究项目，某一实验，某一新产品研制等，但绝不是客观事物的外观形态和过程的描述，或者就事论事地进行叙述。而是经过提炼、加工，从理论上做出说明。可见，学术性是科技论文最基本的特征。2、创造性衡量科技论文价值的根本标准就在于它的创造性。如果没有新创造、新见解、新发现、新发明，就没有必要写论文。因为科学研究的目的就在于创造。作为科研成果的论文，它的任务即是进行学术交流，实现其科学价值。可见，广大科技人员，如果只能继承，没有创造，人类的文明和历史，就不会得到发展。三、科技论文选题科技论文选题是确定专攻方向，明确解决的主要问题。选题不能单凭个人兴趣，或者一时热情，而要从“四化”建设事业的实际出发，选择那些有价值的，能促进科学技术发展，或在生产和建设上、人民生活中，需要迫切解决的有重大效益的课题。怎样选择呢?1、选择本学科亟待解决的课题各个自然学科领域之中，都有一些急待解决的课题。有些是关系到国计民生的重大问题，有的是该学科发展中的关键问题，有的是当前迫切需要解决的问题。因些，我们必须坚持为社会主义现代化建设服务的方向，选择这些急待需要解决的课题。2、选择本学科处于前沿位置的课题凡是科学上的新发现、新发明，新创造，都有重大科学价值，必将对科学技术发展起推动作用。因此，选题要敢于创新，选择那些在本学科的发展中，处于前沿位置，有重大科学价值的课题。经过苦心研究，取得独创性成果，为人类科学技术事业的发展做出新贡献。3、选择预想获得理想效果的课题选题一定要避免盲目性。选择那些能发挥本人业务专长和利于展开的课题。或者选择那些比较熟悉或感兴趣的课题。这样，可以发挥个人优势。题目大小适中，又选准了突破口，就能获得理想的效果。4、选择课题应注意可行性选题时，要考虑到主客观条件，一定是经过努力能够实现的。具体讲，表现在下述三个方面：(1)科学原理上是可行的，绝不能违犯自然规律和科学原理。(2)考虑研究者本身的知识水平，科研能力，不可贪大、甚至超过个人实际能力。(3)考虑研究经费、实验场所(地)、仪器、设备、检测手段等条件上的可行性。不能不顾及条件，盲目上马。初学写作人员选题不宜过大，涉及范围不宜过宽，否则，困难很大，不易完成，题目小点则容易写作。只要写作方法对头，思路正确，题目虽小点则可以把论题写深写透，这样的论文还是有较高价值的。四、科技论文基本结构随着科学技术飞速发展，科技论文大量发表，越来越要求论文作者以规范化、标准化的固定结构模式(即通用型格式)来表达他们的研究过程和成果。这种通用型结构形式，是经过长期实践，人们总结出来的论文写作的表达形式和规律。这种结构形式，是最明确、最易令人理解的表达科研成果的好形式。其通用型基本格式构成项目如下：1、标题科技论文标题选择与确定问题，除了遵循前述的方法外，其标题应尽量少用副标题。同时，这种标题不能用艺术加工过的文学语言，更不得用口号式的标题。它最基本的要求是醒目、能鲜明概括出文章的中心论题，以便引起读者关注。科技论文标题还要避免使用符号和特殊术语，应该使用一般常用的通俗化的词语，以使本学科专家或同行一看便知，而且外学科的人员和有一定文化程度的群众也能理解，这才有利于交流与传播。2、作者及其工作单位该项主要体现论文作者的文责自负的精神，记录了作者辛勤劳动及其对人类科学技术事业所做出的奉献。因此，发表论文必签署作者姓名。署名时，可用集体名称，或用个人名义。个人署名只用真实姓名，切不可使用笔名，别名。并写明工作单位和住址。以便联系。由于现代科学技术研究工作趋于综合化、社会化，需要较多人员参加研究，署名时，可按其贡献大小，排序署名。只参加某部分，某一实验及对研究工作给以支助的人，不再署名，可在致谢中写明。3、摘要摘要又称提要，一般论文的前面都有摘要。设立该项的目的是为了方便读者概略了解论文的内容，以便确定是否阅读全文、或其中一部分，同时也是为了方便科技信息人员编文摘和索引检索工具。摘要是论文的基本思想的缩影，虽然放在前面，但它是在全文完稿后才撰写的。有时，为了国际学术交流，还要把中文摘要译成英文或其他文种。其摘要所撰写内容大体如下：(1)本课题研究范围，目的以及在该学科中所占的位置。(2)研究的主要内容和研究方法。(3)主要成果及其实用价值。(4)主要结论文摘撰写要求是：准确而高度概括论文的主要内容，一般不作评价。文字要求精炼、明白，用字严格推敲。文摘内容中一般不举例证，不讲过程，不做工作对比，不用图、图解、简表、化学结构式等，只用标准科学命名，术语、惯用缩写、符号。其字数一般不超过正文的5%近年来，为了便于制作索引和电子计算机检索，要求在摘要之后提出本篇论文的关键词(或主题词)，以供检索之用。4、引言引言是一篇科技论文的开场白，它写在正文之前。每篇论文引言，主要用以说明论文主题，总纲。常见的引言包括下述内容：(1)课题的提出背景、性质范围、研究目的及其重要性。(2)前人研究经过、成果、问题及其评价。(3)概述达到理想答案的方法。引言一般不分段落，若论文内容较长、涉及面较广，可按上述三个内容分成三个段落。引言里，作者不应表示谦意，也不能抬高自己、贬低别人，对论文评价，应让读者去作。5、正文正文是论文的主体，占全篇幅的绝大部分。论文的创造性主要通过本部分表达出来，同时，也反映出论文的学术水平。写好正文要有材料、内容，然后有概念、判断、推理、最终形成观点，也就是说，都应该按照逻辑思维规律来安排组织结构。这样就能顺理成章。正文一般由以下各部分构成：（1）研究或实验目的研究(或实验)目的，是正文的开篇。该部分要写得简明扼要，重点突出。实验性强的论文，先写为什么要进行这个实验，通过实验要达到的目的是什么。如果课题涉及面较广，论文只写其某一方面，文内则要写清本文着重探索哪一方面的问题。并交待探索原因，效果或方法。有的论文，将此部分并入引言之中，正文部分再不复述。（2）实验材料(设备)和方法科研课题从开始到成果的全过程，都要运用实验材料、设备以及观察方法。因此，应将选用的材料(包括原料、材料、样品，添加物和试剂等)、设备和实验(观测)的方法，加以说明，以便他人据此重复验证。说明时，如果采用通用材料，设备和通用方法，只需简单提及。如果采用又有改进的特殊材料和实验方法，就应较详细的加以说明。如果文章在国外期刊上刊载，便于对外交流，就需要标明材料成分，对照外标号做相应的说明。（3）实验经过实验经过即实验研究过程，或称实验操作程序(或步骤)等。该部分，主要说明制定研究方案和选择技术的路线，以及具体操作步骤，主要说明试验条件的变化因素及其考虑的依据。叙述时，不要罗列实验过程，而只叙述主要的、关键的。并说明使用不同于一般实验设备和操作方法，从而使研究成果的规律性更加鲜明。如果引用他人之法，标出参考文献序号即可，不必详述，如有改进，可将改进部分另加说明。叙述实验经过，通常采用研究工作的逻辑顺序，而不采用实验先后时间顺序，要抓主要环节，从复杂的事物中，理出脉络，按其发展变化顺序写。并且注意所述实验程序的连贯性，要从成功与失败、正确与谬误、可能性和局限性等方面，加以分析，达到严谨的科学性、逻辑性。（4）实验结果与分析(讨论)该部分是整篇论文的心脏部分。一切实验成败由此判断，一切推理由此导出，一切议论由此引出。因此，应该充分表达，并且采用表格，图解、照片等附件。这些附件，在论文中起到节省篇幅和帮助读者理解的作用。本部分内容中，对实验结果和具体判断分析，要逐项探讨。数据是表现结果的重要方式，其计量单位名称、代号，必须采用统一的国际计量单位制的规定。文中要尽量压缩众所周知的议论，突出本研究的新发现

简单的理解一下，继电器的触点，常开，常闭，可以理解为PLC程序中的常开常闭。只不过，程序中可以多次使用。你只需把PLC的常开常闭，当成继电器，就可以了