基于單片機ADuC842的酒精測試儀設計

邵婷婷等

摘 要： 設計一款基于單片機ADuC842的酒精測試儀，并介紹該系統(tǒng)的工作原理和設計方法。呼氣中的酒精信息由氣敏傳感器MQ?3采集，送到單片機ADuC842進行A/D轉換和處理，將檢測的酒精濃度通過LCD1602實時顯示，另一方面與預設的酒精濃度閾值范圍比較并給出報警等級。實驗樣機測試表明，該系統(tǒng)結構簡單，操作方便，呼氣酒精濃度測量范圍為0～0.72 mg/L，誤差不超過0.03 mg/L，可用于駕駛員酒精濃度的自我檢測和監(jiān)控。

關鍵詞： 酒精濃度測試儀； 氣敏傳感器MQ?3； 單片機ADuC842； 駕駛員酒精濃度檢測

中圖分類號： TN710?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0102?03

近年來，汽車數量的增加使交通安全成為全球性的重大問題，其中酒后駕車是引發(fā)交通事故的主要原因之一[1]。確定駕駛人員是否酒駕，一般是交警采用呼氣式酒精測試儀進行現場檢測，或者到醫(yī)院采血進行血液酒精檢測，這兩種方法均是交警到現場進行隨機抽檢，所以檢測面窄、效率低[2]。本文從駕駛人員的角度出發(fā)，探索設計了一款便攜式的酒精測試儀，駕駛人員可進行自我檢測，確定是否屬于酒后駕車、是否醉駕，得到最初的警報提示。實驗樣機測試表明，設計的樣機系統(tǒng)可實時顯示酒精濃度，誤差范圍不超過0.03 mg/L，并可實現3個等級的報警提示。

1 測量原理與系統(tǒng)方案設計

大量研究結果表明[3]，如果被測者深吸氣后以中等力度呼氣3 s以上時，呼出的氣就是從肺部深處出來的氣體。血液中的酒精濃度與呼氣中的酒精濃度有以下關系[4]：

[BACmg/L=BrACmg/L×2 200]

式中：BAC為血液中的酒精濃度；BrAC為呼氣中的酒精濃度；2 200為系數，因各國情況不同其值也略有不同，如在美國采用2 000，歐洲等很多國家采用2 100。雖然BrAC受到環(huán)境溫濕度和被測個體差異的影響，導致測試結果不如直接檢測BAC準確，但該結果仍可作為判斷飲酒程度的重要參考[5]。根據相關法律規(guī)定，駕駛員血液中酒精濃度與駕駛員行為類別的關系如表1所示[6]。對應呼氣中的酒精濃度臨界值為0.09 mg/L和0.36 mg/L。

表1 行為類別與酒精濃度表

本系統(tǒng)以半導體型酒精傳感器MQ?3為呼氣中酒精濃度的采集電路，輸出的電壓信號送單片機ADuC842進行A/D轉換和處理。根據電壓值可確定對應檢測到的酒精濃度，并通過LCD1602實時顯示，同時與預設的報警閾值比較，并給出是否正常、酒駕、醉駕的判斷結果。其結構框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 酒精濃度采集模塊

目前酒精濃度信號的采集一般采用燃料電池型和半導體型傳感器兩種。因燃料電池型傳感器結構要求精密，在我國的應用并不廣泛[7]。本文采用半導體型氣體傳感器MQ?3作為酒精濃度信號的采集模塊。該傳感器具有廣泛的探測范圍，適用于酒精檢測[8]，當加熱3～5 min正常工作后，其阻值隨環(huán)境中酒精濃度的增加而減小，設計中通過與其串聯負載電阻上的輸出電壓獲得其阻值，因此傳感器的輸出電壓隨環(huán)境中酒精濃度的增大而增大。本設計的MQ?3電路連接圖如圖2所示。

相關資料顯示，MQ?3的輸出電壓信號同檢測到的酒精濃度近似為線性函數關系[9]，如圖3所示。當檢測到的酒精濃度為0時，MQ?3的輸出電壓為3 V，傳感器輸出電壓范圍超出了單片機ADuC842內部2.5 V的基準電壓[10]，因此本文在傳感器的輸出加上LM385Z?2.5 V提供一個-2.5 V的參考電壓，使單片機ADuC842的電壓輸入范圍變?yōu)?.5～2.5 V，符合單片機基準電壓的范圍。

2.2 主控模塊

本設計采用ADuC842單片機作為主控芯片。該芯片基于8052內核，內部集成8路12位高速帶自校準功能的A/D轉換，可提供62 KB片上閃存/電擦除程序存儲器，4 KB閃存/電擦除數據存儲器，算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且功耗低、體積小、技術成熟、產品性價比高，滿足系統(tǒng)的設計需求。本系統(tǒng)呼氣中的酒精濃度采集由單片機ADuC842片上的12位高速A/D完成，選擇ADCCON1通道作為電壓信號的輸入通道，進入單片機后進行A/D轉換，并根據圖3的近似關系計算出對應的酒精濃度值，一方面通過LCD1602實時顯示呼氣酒精濃度，另一方面與預設的兩個臨界值0.09 mg/L和0.36 mg/L進行比較，從而控制對應的報警電路及LCD顯示結果。

2.3 顯示和報警模塊

本設計的顯示部分采用LCD1602，該液晶顯示器可視面積大，硬件電路簡單，控制方便，技術成熟。本系統(tǒng)中LCD1602不但實時顯示檢測到的酒精濃度值，并且根據比較的結果顯示不同的字樣。報警部分采用綠色、黃色和紅色三個LED燈以及蜂鳴器實現，如果檢測的酒精濃度小于0.09 mg/L，則綠燈亮，LCD顯示“正常”，蜂鳴器不響；如果介于0.09 mg/L和0.36 mg/L，則黃燈亮，LCD顯示“酒駕”，蜂鳴器報警；如果大于0.36 mg/L，則紅燈亮，LCD顯示“醉駕”，蜂鳴器報警。

3 系統(tǒng)軟件設計

本設計軟件部分采用模塊化設計，通過Keil公司開發(fā)的μVision 3編譯器用C51語言編寫，主要由主程序、初始化子程序、A/D采樣子程序、酒精濃度和電壓轉換子程序、酒精濃度顯示及其比較判斷子程序和報警子程序等組成，其主程序流程圖如圖4所示。

4 結 語

本文從駕駛人員的角度出發(fā)，利用半導體氣體傳感器MQ?3，基于單片機ADuC842設計了一款便攜式酒精測試儀。實驗樣機測試表明，該酒精測試儀的測量范圍為0～0.72 mg/L，誤差范圍不超過0.03 mg/L。

該酒精測試儀結構簡單，操作方便，功耗體積小，閾值范圍設定與國家相關法律規(guī)定一致，駕駛人員在開車前可以自行檢測、監(jiān)控呼氣中的酒精濃度，確定是否適合駕駛。若改變閾值的范圍還可應用于酒廠生產和食品發(fā)酵等領域。

參考文獻

[1] 申林杰，肖凱，劉曉東.基于模糊推理原則的車載多傳感器全方位酒精檢測系統(tǒng)[J].中北大學學報：自然科學版，2014，35（4）：479?484.

[2] 孫丹，趙奎兵，段富海.基于CC1110的車載主動酒精檢測系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制，2013，21（5）：1150?1153.

[3] 張艷麗，張紹楠，張猛.基于MSP430F149的酒精濃度檢測儀的設計[J].自動化技術與應用，2009，28（10）：112?114.

[4] MCCAMMON K. Alcohol related motor vehicle crashes： deterrence and intervention [J]. Ann Emer Med， 2001， 38（14）： 415?422.

[5] 譚秋林，許嬌，薛晨楊，等.基于C8051F040酒精濃度測試儀的研究[J].傳感技術學報，2009（10）：1378?1381.

[6] 尹益燕，張永昌.基于AVR單片機的酒駕檢測儀的設計[J].電子制作，2014（7）：66?67.

[7] 蘭羽，白潔.基于AT89C51的酒精濃度測試儀研究[J].信息技術，2013（10）：74?76.

[8] 袁捷.基于51單片機的酒精濃度檢測儀的設計[J].電子設計工程，2013，21（18）：173?175.

[9] 徐京蓮，韓峻峰，潘盛輝，等.基于多傳感器融合的車載酒精檢測系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器，2010（7）：105?107.

[10] 吳永忠，唐正.一種制冷劑鑒別儀的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2013（12）：21?23.

[11] 李致金，周宇，宋安.基于MSP430F2132車載酒精濃度監(jiān)控系統(tǒng)[J].現代電子技術，2014，37（22）：121?123.