基于單片機(jī)的酒精氣體濃度測試儀的設(shè)計(jì)與制作

基于單片機(jī)的酒精氣體濃度測試儀的設(shè)計(jì)與制作

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 趙書紅 張健健

【摘要】文章以單片機(jī)STC12C5A16AD為核心，運(yùn)用高靈敏度傳感器MQ-3氣體傳感器，采用EEPROM芯片存儲(chǔ)預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值，并通過LCD顯示檢測結(jié)果及二極管實(shí)現(xiàn)超標(biāo)報(bào)警。經(jīng)過軟硬件聯(lián)合調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；MQ-3氣體傳感器；酒精檢測

近年來酒后駕引起的交通事故越來越受到社會(huì)的關(guān)注，為此，設(shè)計(jì)一款智能儀器能夠監(jiān)測出駕駛員體內(nèi)的酒精含量顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)的酒精濃度測試儀是一款實(shí)用性強(qiáng)、安全可靠的氣體乙醇濃度檢測工具，采用高精度MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器對空氣中的乙醇濃度進(jìn)行檢測，利用宏晶公司高性能低成本單片機(jī)STC12C5A16AD對檢測信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理，最后通過液晶屏顯示輸出。該酒精濃度測試儀還具有醉酒閾值設(shè)定功能，可以根據(jù)法律法規(guī)或用戶需要設(shè)定修改醉酒閾值，并進(jìn)行保存。

1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

酒精濃度測試儀是用來測試所處環(huán)境中的酒精濃度的，并顯示出測試的結(jié)果數(shù)值，而本設(shè)計(jì)所做的智能酒精濃度酒精測試儀除具有這個(gè)基本功能外，還可通過手動(dòng)隨意設(shè)置酒精濃度的閥值，以劃定不同環(huán)境條件下酒精的安全界限，同時(shí)具有報(bào)警功能。它主要由酒精傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、LCD顯示、鍵盤模塊以及報(bào)警部分組成。

本設(shè)計(jì)的酒精濃度測試儀框圖如圖1所示。MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理，輸出隨乙醇濃度變化的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，與設(shè)定的醉酒閾值進(jìn)行比較，并顯示或報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的酒精濃度測試儀框圖如圖2所示。MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理，輸出隨乙醇濃度變化的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，與設(shè)定的醉酒閾值進(jìn)行比較，并顯示或報(bào)警。

2.2 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用宏晶公司高性能單片機(jī)STC12 C5A16AD，其管腳如圖3所示該芯片為52內(nèi)核8位單片機(jī)，內(nèi)部集成了10位多路A/D轉(zhuǎn)換模塊，適用于常用測試電路。

由STC12C5A16AD組成的單片機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。圖中AOUT為MQ-3傳感器模塊輸出的測試電壓信號(hào)，送入ADC7端口進(jìn)行處理，DOUT為傳感器模塊輸出的數(shù)字電平信號(hào)，該信號(hào)可以根據(jù)乙醇?xì)怏w濃度直接輸出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警閾值通過模塊上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2 酒精濃度測試儀方框圖

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

圖3中，按鍵K2和K3為醉酒閾值調(diào)整鍵，其中K2為“增加”，K3為“減小”按鍵。L2和L3為報(bào)警指示燈，分別可以進(jìn)行酒后和醉酒兩級(jí)報(bào)警。

2.3 傳感器設(shè)計(jì)

酒精濃度的準(zhǔn)確檢測是決定該設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素，而酒精的檢測依靠酒精傳感器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。在本設(shè)計(jì)中選用靈敏度高、穩(wěn)定性好的MQ-3氣敏傳感器。當(dāng)其表面吸附有被測氣體酒精分子時(shí)，表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電阻會(huì)隨著被測氣體的濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。MQ-3型氣敏傳感器靈敏度高，響應(yīng)速度快，可用于很好的檢測凈凈濃度。

MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器及其電路原理如圖4所示。經(jīng)過調(diào)試，測試信號(hào)由電阻值轉(zhuǎn)變成電壓值，便于后續(xù)電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理。

圖4 傳感器及調(diào)理模塊原理圖

圖5 LCD與單片機(jī)接口電路

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示部分采用SMC 1602液晶屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，與單片機(jī)接口電路如圖5所示。其中J2的3腳為背光引腳，R9和R10電阻用于調(diào)節(jié)背光亮度。J2的4、5、6引腳分別接液晶的RS、E/W和E控制引腳，J2的7-14引腳為數(shù)據(jù)引腳。

2.5 閾值存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

醉酒閾值存儲(chǔ)在EEPROM芯片AT24C01中，并可以通過“增加”、“減少”按鍵調(diào)節(jié)并保存。AT24C01是IIC接口的EEPROM芯片，可以用于掉電不易丟失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。其電路如圖7所示。圖中A0、A1和A2為芯片的地址引腳，一般接地即可。SCL和SDA為AT24C01和單片機(jī)IIC通信的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。

圖6 EEPROM存儲(chǔ)電路

2.6 供電及下載電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用USB接口供電，電源電壓5V。同時(shí)，USB接口通過內(nèi)含PL2303芯片的轉(zhuǎn)換電路對單片機(jī)進(jìn)行程序編寫。其電路原理如圖7所示。

圖7 供電及程序下載電路

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 A/D轉(zhuǎn)換的軟件實(shí)現(xiàn)

A/D轉(zhuǎn)換的軟件控制流程如圖8所示。

A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)必須依靠下降沿觸發(fā)，在START置低后延時(shí)一段時(shí)間（約10ms）轉(zhuǎn)換才正式開始.轉(zhuǎn)換過程中的所需輸入時(shí)鐘允許范圍為10KHZ～1280KHZ，在本次設(shè)計(jì)中選用500KHZ，通過定時(shí)器產(chǎn)生，轉(zhuǎn)換完成后得到的數(shù)字量即為由酒精傳感器測試到環(huán)境中的酒精含量而產(chǎn)生的電壓值，調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序從而可得到酒精濃度的真實(shí)值。

3.2 閾值設(shè)定及顯示的軟件控制

酒精濃度的閾值設(shè)定及顯示的具體軟件控制流程如圖9所示。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行完初始化后，該測試儀在將測試到的酒精濃度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還在時(shí)刻測試有無外部中斷的響應(yīng)，一旦有按鍵按下，將會(huì)根據(jù)按鍵按下的次數(shù)選擇酒精濃度表中的酒精濃度值，而且這個(gè)值將會(huì)立刻被保存于外部存儲(chǔ)單元（AT24C08），以便與監(jiān)測到的環(huán)境中的酒精濃度進(jìn)行比較，完成接下來的報(bào)警功能。

3.3 整體軟件控制流程

該系統(tǒng)的軟件流程圖見圖10所示。

圖10 軟件方案總體流程圖

圖11 酒精濃度測試儀正常工作

該儀器軟件程序主要使用C語言編寫，采用了模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法，包括主程序、中斷程序等。系統(tǒng)在開機(jī)或者復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化、自檢，然后進(jìn)入中斷等待，A/D轉(zhuǎn)換，液晶顯示三個(gè)狀態(tài)，最終根據(jù)所得結(jié)果判斷是否執(zhí)行聲光報(bào)警。中斷子程序包括預(yù)設(shè)閥值、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息顯示等操作，在進(jìn)行閥值判斷時(shí)用到了LM393電壓比較器，程序的絕大部分時(shí)間處在數(shù)據(jù)處理上，而單片機(jī)在一次處理數(shù)據(jù)的時(shí)間約為6us，故總體的平均功耗低。

4.調(diào)試

該測試儀的整體功能實(shí)現(xiàn)即由每個(gè)模塊的分工協(xié)作來實(shí)現(xiàn)。將程序在Keil編譯器中編譯成功后，生成HEX文件，然后將程序燒錄到單片機(jī)中，上電即可進(jìn)行工作了。上電后該酒精測試儀將按照初始化的程序進(jìn)行工作，酒精濃度閾值為當(dāng)初設(shè)定的，超過閾值則會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。一旦有設(shè)定酒精濃度閾值的按鍵按下，并且測試按鍵按下的次數(shù)，則酒精濃度的閾值即被重新設(shè)定，在沒被下一次設(shè)定前，實(shí)時(shí)測試的酒精濃度將與它進(jìn)行比較，超過該界限值即報(bào)警，同時(shí)酒精濃度值一直將會(huì)顯示出來，如圖11、12所示。圖11是酒精濃度測試儀上電后正常工作時(shí)顯示的字符。延時(shí)2S后自動(dòng)顯示圖12上的內(nèi)容。圖12是酒精濃度測試儀正常工作時(shí)顯示的標(biāo)準(zhǔn)值80mg/L，現(xiàn)場檢測到的酒精濃度值20mg/L。

圖12 酒精濃度測試儀正常工作

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的酒精濃度測試儀，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。通過軟硬件聯(lián)合調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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[3]李麗華，黃秋野，王琦.基于單片機(jī)的酒精濃度檢測儀設(shè)計(jì)[J].2009，3.

項(xiàng)目來源：江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GJZY2012-01-06-4）。

作者簡介：

趙書紅（1982—），女，碩士，講師，現(xiàn)供職于江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事電工電子技術(shù)的教學(xué)與研究以及電力電子與電力傳動(dòng)的研究。

張健?。?992—），現(xiàn)就讀于江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系。