基于單片機的酒精濃度檢測儀的設(shè)計

俞露蘆，陶大錦

（溫州醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程系，浙江 溫州 325035）

0 引言

近年來，中國經(jīng)濟不斷發(fā)展，人民生活水平不斷提高，私家車早已走進了千家萬戶，給人們生活帶來了極大的便利。但是文明進步的背后，酒后駕駛問題也日趨嚴重。國內(nèi)外研究表明，飲酒后駕駛?cè)说挠|覺機能普遍下降，表現(xiàn)為觸覺遲鈍和反應(yīng)遲鈍，駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中手、腳不能正常地控制方向盤、油門和剎車；其視覺機能也會有一定程度的下降，視像模糊導(dǎo)致駕駛?cè)瞬荒苎杆賹煌ㄐ盘枴酥咀龀龇磻?yīng)和判斷[1-2]。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計表明，酒后駕車發(fā)生事故的概率高達27%[3]。通過酒精濃度檢測儀對駕駛?cè)藛T進行酒精測試，可判斷其醉酒程度，能夠有效遏制酒后駕車和醉酒駕車，減少道路交通事故發(fā)生。

本文基于現(xiàn)狀設(shè)計的酒精濃度檢測儀，與傳統(tǒng)酒精檢測儀相比，具有如下優(yōu)點：（1）體積小，便于攜帶；（2）采用12位AD轉(zhuǎn)換芯片，精度高；（3）一個周期內(nèi)取樣20次，并在軟件程序中對采樣數(shù)據(jù)進行平滑處理，誤差小。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 探測參數(shù)

本系統(tǒng)以酒精濃度作為主要的探測參數(shù)。通過檢測酒精信號采集電路的電壓值，并對數(shù)據(jù)做一系列的分析處理，就可以得到被檢測者呼氣中的酒精濃度值。

1.2 方案設(shè)計

圖1是本系統(tǒng)的硬件流程圖，其包括信號采集模塊、信號處理模塊、控制處理模塊和人機通道。

圖1 硬件流程圖

1.2.1 信號采集模塊

MQ-3酒精傳感器對于10 ppm～1 000 ppm范圍內(nèi)的酒精信號都有高度的敏感性，此外它還有以下幾個特點：響應(yīng)時間短、恢復(fù)快；使用壽命長，測得數(shù)值較穩(wěn)定；驅(qū)動回路簡單，便于應(yīng)用。

MQ-3酒精傳感器輸出回路如圖2所示。

圖2 MQ-3酒精傳感器接線圖

MQ-3具有6只針狀引腳，其中4只用于信號取出，另外2只則用于提供加熱電流。圖2中的1、3、4、6四腳用于信號取出，2、5端之間是加熱電阻絲。同時在5腳后需要再接一個適當值的電阻，起到限流的作用。MQ-3上的微型A2O3陶瓷管、SnO2敏感層材料遇到酒精分子時，3、4兩端之間的敏感體電阻會發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出的電壓值發(fā)生改變。由于這種變化是可逆的，因此酒精傳感器在實際應(yīng)用中能夠重復(fù)使用，多次測量。如果用5 V的電源供電，理論上MQ-3傳感器輸出電壓值應(yīng)該是0～5 V，但是實驗測得在無酒精的環(huán)境中傳感器輸出的電壓值并不為0。這就需要對系統(tǒng)進行零點設(shè)置，為方便計算，本系統(tǒng)選擇以數(shù)字電壓值1 000作為系統(tǒng)檢測零點。當?shù)玫降臄?shù)字電壓值小于1 000時，液晶不能顯示酒精濃度值。

1.2 .2信號處理模塊

酒精傳感器將酒精濃度信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，模擬電壓信號再分別通過濾波電路，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號交由控制處理電路分析處理。圖3為信號處理模塊的流程圖。

圖3 信號處理流程圖

（1）濾波電路

濾波電路用于除去輸出電壓信號中可能夾雜的高頻干擾信號。

（2）AD轉(zhuǎn)換電路

傳感器輸出的電壓信號通過濾波電路后，得到的是模擬電壓信號，為了便于單片機數(shù)據(jù)處理需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，因而其后連接了AD轉(zhuǎn)換電路。在AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，選用了12位的ADS7886芯片，具有高精度、低功耗、轉(zhuǎn)換時間短、接口簡單等特點[4]，同時價格經(jīng)濟實惠。ADS7886與單片機的接口電路如圖4所示。

圖4 ADS7886與單片機接口電路

STC89C52單片機與ADS7886配套使用時，其中的VCC接5 V電壓，圖中電容是旁路電容，用于去除VCC中夾雜的高頻信號。SCLK端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的串行時鐘，故需要連接單片機時鐘；CS端口是片選信號。VIN端口用于輸入信號，SDO端口用于接收數(shù)字信號數(shù)據(jù)。ADS7886一邊進行轉(zhuǎn)換一邊進行數(shù)據(jù)輸出。這些數(shù)據(jù)包含前面4個0和隨后的12位數(shù)。

（3）控制處理模塊

控制處理模塊主要指單片機最小系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的單片機是STC公司生產(chǎn)的STC89C52，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，且具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，此外它還具有程序無法解密、價格低、功耗低、運算高速、高可靠強性、抗靜電和抗干擾能力強、功能強大等優(yōu)點。STC89C52在智能化電子產(chǎn)品設(shè)計中有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機最小系統(tǒng)如下圖5所示。

圖5 單片機最小系統(tǒng)

1.2.3 人機通道

本系統(tǒng)中人機通道主要有按鍵檢測模塊、LCD液晶顯示模塊和聲光報警模塊。

（1）按鍵檢測模塊

測量鍵：只有當測量按鍵被按下后，系統(tǒng)才開始采集酒精濃度信號，并進行一系列的分析處理操作。

復(fù)位鍵：在一次測量結(jié)束后，需要復(fù)位操作后再次進行測量，否則可能引起較大誤差。

RL分壓電阻：用于調(diào)零。當設(shè)計的電路板被移動后，或者當MQ-3酒精傳感器處于干擾較大的環(huán)境時，需要用螺絲刀調(diào)節(jié)RL分壓，當調(diào)至液晶上AD顯示1 000左右才可進行酒精濃度的測量操作。

（2）LCD液晶顯示模塊

LCD1602液晶功耗小、體積小、價格低廉，且能滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求，故選擇使用LCD1602作為本設(shè)計的顯示模塊。此外，LCD1602還具有對比度可調(diào)、內(nèi)含復(fù)位電路、提供各種控制指令的特點。

本設(shè)計中LCD1602液晶的顯示屏需要顯示AD實時采樣數(shù)字電壓值和酒精濃度數(shù)值大小。

（3）聲光報警模塊

當檢測到的酒精濃度超過200 mg/L時，黃色指示燈D2亮起，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，同時在液晶屏上顯示當前被測酒精濃度；當檢測到的酒精濃度超過800 mg/L時，紅色指示燈D3亮起，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，同時在液晶屏上顯示當前被測酒精濃度。在檢測到的酒精濃度小于200 mg/L時，液晶屏上顯示酒精濃度數(shù)值，報警指示燈不亮，蜂鳴器不鳴叫。聲光報警模塊如下圖6所示。

圖6 聲光報警硬件連接圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)首先將得到的數(shù)字電壓信號通過軟件程序進行數(shù)據(jù)平滑處理，即在一個周期內(nèi)采樣取值20次，并用中間的10次采樣值取平均值后作為此次酒精信號采樣的數(shù)字電壓值。再通過MQ-3敏感體電阻與分壓電阻RL電壓之比的變化量來計算酒精濃度變化量。系統(tǒng)將分析處理后的數(shù)據(jù)換算成酒精濃度值，然后再顯示到LCD1602液晶上。如果測得的數(shù)據(jù)超過所設(shè)定的標準閾值，聲光報警模塊開始工作。同時也可以通過人為按鍵操作來控制人機互動功能。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

3 系統(tǒng)整體調(diào)試

首先把傳感器置于無酒精的環(huán)境下，調(diào)節(jié)使得LCD1602顯示的濃度數(shù)值為0.00 mg/L。在MQ-3可探測到的酒精濃度范圍下，即10 ppm～1 000 ppm范圍內(nèi)，配制3種不同濃度的酒精液體，并預(yù)先計算好它們的濃度值。然后分別用棉花棒蘸取酒精液體后放置于傳感器上方，若液晶顯示的數(shù)值分別與配制的酒精濃度值相近，則調(diào)試成功；如果液晶顯示值與配制的濃度值有較大偏差，則調(diào)試不成功，需進一步查找原因。表1給出了在100 mg/L、250 mg/L和900 mg/L時測量得到的酒精濃度值。可以發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計測量的酒精濃度誤差在2%以內(nèi)，如果進一步優(yōu)化，便可以實際應(yīng)用。

表1 酒精濃度測量值

4 結(jié)論

如果對本設(shè)計做一定程度的改進，并將它與多種傳感器、遠程處理等技術(shù)進行整合，就能夠制成“酒精鑰匙”。開車門之前，駕駛?cè)诵枰聪麻_門鍵，待黃色準備燈亮起，對著這個吹棒吹氣約2 s。如果駕駛?cè)怂龅木凭禋鉁y試結(jié)果未超過法定允許的標準值，綠色指示燈亮起，順利通過酒精檢測，車門打開，可以上路；如果駕駛?cè)怂龅木凭禋鉁y試結(jié)果超過法定允許的標準值，紅色指示燈亮起，系統(tǒng)將使引擎維持在靜止狀態(tài)無法啟動，這樣就有效地遏制了酒后駕駛。相信隨著科技的發(fā)展，這種酒精檢測的技術(shù)將更廣泛地應(yīng)用于我們的生活。

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[2]黃暉.酒后駕車檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國科技信息，2013（12）：185-186.

[3]彭挺，張誠，裴玉龍.酒精攝入對駕駛?cè)笋{駛能力的影響分析[J].交通信息與安全，2012，30（6）：43-49.

[4]陳其成，陶大錦.頻分復(fù)用技術(shù)在多通道同步數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].微型機與應(yīng)用，2013，32（10）：54-56.