酒精濃度檢測儀的設(shè)計

青島理工大學 劉艷偉 張 民 劉 婷

1.前言

在酒駕事故中，很多是由于駕駛員飲酒過量導(dǎo)致的，當體內(nèi)酒精濃度過高時，大腦反應(yīng)速度會減慢，肢體不受控制，表情就會有異常，呼出的氣體也會帶有酒味，不飲酒或者飲少量的酒就不會導(dǎo)致以上癥狀，也就是說，當體內(nèi)的酒精濃度不高時，就不會因飲酒引起危險事故。現(xiàn)在，酒精的測量技術(shù)已經(jīng)有了不少的提升，有很多先進微處理器的酒精測試儀已經(jīng)被商品化。禁止酒后駕車的規(guī)定已經(jīng)在越來越多的國家開始，傳統(tǒng)的法醫(yī)血液酒精分析和精確的呼出氣體酒精測試相比，有很大的差距，例如，氣體酒精濃度測試可進行現(xiàn)場處理，可以進行無毒采樣，使交通控制更加高效。所以，需要設(shè)計一個酒精濃度檢測儀來測量駕駛員體內(nèi)酒精濃度。

2.總體設(shè)計

2.1 設(shè)計任務(wù)

傳感器MQ-3根據(jù)酒精濃度的變化，其阻值也會隨著變化，通過取樣電阻的電壓變化表現(xiàn)出來；人體血液中酒精濃度不同，其呼出的氣體中酒精濃度也會不同。把MQ-3輸出的電壓以取樣電壓的形式送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機進行處理，如果酒精濃度的數(shù)值超過了所設(shè)定的報警值，則報警器報警，相應(yīng)的二極管發(fā)光，數(shù)碼管顯示酒精濃度的值。

2.2 設(shè)計要求

(1)傳感器電壓輸出范圍為0-5V。

(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832電壓輸入范圍為0-5V，分辨率為8位，輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容。

(3)單片機具有256字節(jié)RAM標準功能。

(4)數(shù)碼管采用動態(tài)顯示方式。

2.3 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

單片機酒精濃度檢測儀使用MQ-3酒精傳感器采集氣體信號，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送至單片機，由單片機對數(shù)字信號進行分析處理，并將所得的結(jié)果通過數(shù)碼管顯示出來。鍵盤采用3個獨立鍵盤設(shè)置不同環(huán)境下酒精濃度的不同報警值，如果所檢測的酒精濃度超出了所設(shè)定的報警值，由蜂鳴器和LED燈進行聲光報警。顯示部分由1個四位一體共陽數(shù)碼管顯示當前數(shù)據(jù)，數(shù)碼管由4個三極管來控制位選。

3.硬件設(shè)計

硬件設(shè)計電路框圖如圖3-1所示。

圖3-1 硬件方案總體框圖

3.1 傳感器介紹

由于周圍空氣中的氣體成分可能會影響到傳感器測量的準確性，因此傳感器要對其他氣體不敏感，只能對酒精氣體敏感，故選用MQ-3型氣敏傳感器，它有很高的靈敏度、良好的選擇性、可靠的穩(wěn)定性和長期的使用壽命。MQ-3型氣敏傳感器是由微型Al2O3，SnO2敏感層、陶瓷管、加熱器和測量電極構(gòu)成的敏感元件固定在不銹鋼或者塑料的腔體內(nèi)，加熱器是一個必不可少的元氣件，它為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。加熱回路與信號輸出回路組成了傳感器的標準回路，其中，傳感器表面電阻值的變化，可由信號輸出回路準確反映；通過負載電阻RL上的輸出電壓，就能知道表面電阻的變化。為了使測量的結(jié)果更精確，誤差減到最小，需要有合適的溫度，正常情況下，在測量前需要將傳感器先預(yù)熱3-5分鐘。MQ-3標準回路如圖3-2所示。

表3-1 血液酒精含量臨界值一覽表

圖3-2 MQ-標準回路

科學研究已經(jīng)證明，血液中的酒精含量與呼氣中的酒精含量有如下的關(guān)系：

BAC(in mg/L)=BrAC(in mg/L)x2200

其中，BAC表示血液中酒精的濃度，BrAC表示呼氣中酒精的濃度。

由表3-1血液酒精含量臨界值就可以對駕駛?cè)藛T的酒駕行為進行定性，如血液酒精濃度低于200mg/L，可以對其酌情處理；血液中的酒精含量大于200mg/L而低于800mg/L，則是酒后駕駛，大于或等于800mg/L則是醉酒駕駛[2]。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832

通常片選使能端CS、芯片時鐘輸入端CLK、數(shù)據(jù)信號輸出端DO、數(shù)據(jù)信號輸入端DI與單片機相連接。由于DI端與DO端在通信時并不是都有效的，將DO端和DI端在同一根數(shù)據(jù)線上使用，ADC0832不工作時，其CS輸入端為高電平，CLK和DO/DI的電平任意。進行A/D轉(zhuǎn)換時，CS處于低電平，由單片機向CLK輸入脈沖，在第1個脈沖的下沉之前DI端為高電平，DI端在第2、3個脈沖下沉之前輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，CH0為模擬輸入通道0，CH1為模擬輸入通道1。如果2位數(shù)據(jù)都為1時，對CH1進行單通道轉(zhuǎn)換，分別為1和0時，只對CH0進行轉(zhuǎn)換；分別為0和1時，用CH0作為負輸入端，CH1則作為正輸入端；都為0時，CH1則作為負輸入端，CH0作為正輸入端。第3個脈沖下沉以后，DI端不再輸入，開始利用DO端，對數(shù)據(jù)進行讀取。從第4個脈沖下沉開始由DO端輸出數(shù)據(jù)最高位DATA7，每下沉一個脈沖，DO端就相應(yīng)輸出一位數(shù)據(jù)。到第11個脈沖輸出最低位DATA0，一個字節(jié)輸出完成；然后從第11個字節(jié)的下沉輸出DATD0，連續(xù)輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，一次完整的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，將CS置高電平[3]。

3.3 數(shù)碼管

每一個LED顯示塊由8個發(fā)光二極管構(gòu)成，每一個發(fā)光二極管對應(yīng)一個段，共8段。為了使LED顯示器顯示出不同的字型，需要把不同段的發(fā)光二極管點亮，這就需為LED顯示器提供代碼，因為這些代碼可使LED相應(yīng)的段發(fā)光，從而顯示出不同數(shù)字和符號，該代碼稱為段碼。

由N個LED顯示塊可拼成N位的LED數(shù)碼顯示器。每一個LED顯示塊由1位位選線和8根段碼線構(gòu)成。段碼線控制字符的字型，位選線控制LED顯示位的亮或暗，由于采用動態(tài)顯示，在同一時刻，只有選通的那一位顯示出字符，其他3位LED是熄滅的。按照這樣，不斷的循環(huán)，就能使各位顯示出將要顯示的字符。由于視覺暫留作用和LED的余輝，只要時間間隔足夠小，則能給人造成同時亮的假象，達到同時亮的效果。

3.4 鍵盤電路與蜂鳴器報警電路

3個鍵盤分別接單片機的3個引腳。使用時需先將P1.0～P1.2全部置1，然后判斷是否有鍵按下，如果鍵盤輸入端變?yōu)榈碗娖?，表明此鍵盤已按下，如果鍵盤輸入端為高電平，表明此鍵沒有被按下，如圖3-3所示。在軟件編程的時候，需注意鍵盤消抖。

當輸入端為高電平時蜂鳴器不報警。而當輸入端為低電平的時候，蜂鳴器就會發(fā)出報警聲音。報警電路如圖3-4所示。

圖3-3 獨立鍵盤電路

圖3-4 蜂鳴器報警電路

4.軟件設(shè)計

4.1 主程序模塊

主程序?qū)崿F(xiàn)的功能：與硬件相結(jié)合實現(xiàn)酒精濃度檢測系統(tǒng)的各個功能。主要是檢測與顯示，見圖4-1所示。

圖4-1 主程序流程圖

圖4-2 模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖

4.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳送給單片機。ADC0832轉(zhuǎn)換的流程圖見圖4-2所示。

4.3 報警子程序模塊

系統(tǒng)設(shè)定報警值并轉(zhuǎn)換為壓縮的BCD碼存放在兩個存儲單元中，這些在報警子程序執(zhí)行之前實現(xiàn)。當傳感器輸入值進行A/D轉(zhuǎn)換后，就會調(diào)用比較程序，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示的測量值與報警值比較，如果小于報警值就繼續(xù)執(zhí)行顯示程序。若大于報警值則將通過單片機進行聲光報警。

5.軟硬件聯(lián)合調(diào)試

當傳感器檢測到被測氣體時，傳感器MQ-3調(diào)整電路決定了電壓每升高0.1V，實際被測氣體的濃度增加20ppm(1ppm=1mg/kg=1mg/L常用來表示氣體濃度，或者溶液濃度)，也就是說，數(shù)字量電壓值1000mV對應(yīng)血液中的的酒精濃度為200mg/L，電壓值與血液中的酒精濃度值在數(shù)值上的關(guān)系為：B(mg/L)=A(mV)x0.2，其中B代表血液中的酒精濃度值，單位為mg/L，A代表數(shù)字量電壓值，單位為mV，我們根據(jù)這個關(guān)系就可以在單片機里面將測得的數(shù)字量電壓值轉(zhuǎn)換為血液中的酒精濃度值。硬件與軟件聯(lián)合，對本實物進行調(diào)試，通過檢測，可得出以下結(jié)果，如表5-1所示。

表5-1 呼氣酒精含量、血液酒精濃度對應(yīng)關(guān)系

通過軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，從實驗結(jié)果中，可以得出呼出氣體中酒精濃度與血液中酒精濃度關(guān)系，與BAC(in mg/L)=BrAC(in mg/L)x2200數(shù)值關(guān)系相對應(yīng)，從而可以確定此系統(tǒng)的準確性滿足設(shè)計基本要求，達到設(shè)計指標，從而也驗證了本次設(shè)計的準確性。

6.結(jié)論

本設(shè)計以AT89S52為主，設(shè)計過程包括硬件設(shè)計和軟件編寫。硬件電路部分結(jié)構(gòu)清晰、使用簡單。軟件部分采用模塊化設(shè)計思想，便于調(diào)試和修改。該系統(tǒng)具有以下意義：(1)提高人們的法律意識；(2)能夠便捷，準確，安全的檢測人體內(nèi)的酒精濃度及監(jiān)測空氣中的酒精含量。體積小、性價比高、功耗低的特點，使其具有一定的使用和推廣價值。

[1]杜鵬.直流磁控濺射法設(shè)備SnO2薄膜及其氣敏性研究[D].天津:河北工業(yè)大學,2006.

[2]李瑞生.論危險駕駛罪的行為構(gòu)成[D].新疆警官高等?？茖W校,2012.

[3]仉冠生.表面肌電信號檢測系統(tǒng)的研究[D].河北工業(yè)大學,2007.

[4]Power Management Techniques for the F30X AND F31X[-Q].Silicon Laboratories Silicon Laboratories,2003,ANl38-DSll.