基于單片機(jī)控制的酒精濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋曉宇 高國(guó)偉 李世川 吳冰洋 李孟楠 黃璐

1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100192；2. 北京信息科技大學(xué)信息獲取與檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

一、引言

根據(jù)相關(guān)部門的調(diào)查顯示，大約60%的交通事故都是酒后駕駛造成的，酒后駕車已成為威脅人類生命的 “隱形殺手”。即使在飲酒很少的情況下，交通事故的的發(fā)生率也能成倍增長(zhǎng)，酒后駕車已成為交通事故的第一大殺手[1]。

自《刑法修正案(八)》和修改后的《道路交通安全法》正式實(shí)施，“醉酒駕駛”正式入刑。不僅交警部門，而且很多車主都期盼能夠有便攜儀器方便地測(cè)量氣體酒精濃度，為安全駕駛提供保障，有效減少重大交通事故的發(fā)生。

基于上述原因設(shè)計(jì)了一種智能酒精濃度檢測(cè)儀，用來(lái)檢測(cè)被測(cè)者或者被測(cè)環(huán)境的酒精濃度，由顯示模塊顯示出檢測(cè)的值，還能通過(guò)外部按鍵改變檢測(cè)儀的報(bào)警濃度閾值，從而來(lái)界定不同環(huán)境條件下酒精含量的安全范圍，超過(guò)安全閾值可以促發(fā)報(bào)警電路產(chǎn)生報(bào)警，達(dá)到預(yù)防、阻止交通事故發(fā)生的目的。

二、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本次酒精濃度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，由氣體傳感器電路、顯示電路、報(bào)警電路[2]等電路模塊組成的硬件電路，編制相關(guān)控制軟件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛?cè)藛T呼出氣體的酒精濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在超過(guò)安全值時(shí)報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，該電壓信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，與設(shè)定的醉酒閾值進(jìn)行比較，并顯示或報(bào)警。

本次設(shè)計(jì)的酒精濃度檢測(cè)系統(tǒng)具有如下點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，外圍電路帶有LCD 顯示以及按鍵控制電路，無(wú)需要其他計(jì)算機(jī)，用戶就可以與之進(jìn)行交互工作，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析等過(guò)程；

（2）系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價(jià)比等特點(diǎn)；

（3）從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了大屏幕液晶顯示器以及小按鍵，由單片機(jī)系統(tǒng)控制按鍵和LCD 顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，界面友好；

（4）軟件系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫，在兼顧實(shí)時(shí)性處理的同時(shí)也能很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的酒精濃度測(cè)試儀系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

1、乙醇信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路

本次檢測(cè)氣體的系統(tǒng)核心是氣體傳感器，一般情況下安裝在探測(cè)頭內(nèi)。從本源上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。探測(cè)頭通過(guò)氣體傳感器對(duì)氣體產(chǎn)品進(jìn)行分析整理，通常包括清除渣滓和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，以便傳感器進(jìn)行更加快速的分析處理。

由于本次測(cè)量環(huán)境在正常室溫條件下進(jìn)行，并且被測(cè)對(duì)象為空氣中的酒精氣體，揮發(fā)性較強(qiáng)，檢測(cè)范圍變化較大，所以在選擇傳感器的時(shí)候，一定要考慮到穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性，而本次設(shè)計(jì)使用的MQ-3傳感器符合上述條件。

MQ-3傳感器，具有很好的穩(wěn)定性、相當(dāng)高的靈敏度、較好的選擇性和長(zhǎng)期的使用壽命以及可靠地穩(wěn)定性。該傳感器由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成敏感元件，固定在塑料或者不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件，當(dāng)其受熱后，加溫室環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度迅速增大，傳感器的內(nèi)阻阻值將會(huì)迅速降低[3]，Vout值將逐漸增大，當(dāng)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，可產(chǎn)生相應(yīng)的操作。經(jīng)過(guò)處理后檢測(cè)信號(hào)由電阻值轉(zhuǎn)變成電壓值，就可用于后續(xù)電路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換和處理。

傳感器的由兩條回路組成：第一部分為加熱回路；第二部分為信號(hào)輸出回路，它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻變化，上述這些參數(shù)使得傳感器輸出0～5V的電壓[4]。

MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器管腳與測(cè)試電路如圖3所示，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖4為 MQ-3傳感器的靈敏度曲線。由圖中可以看出，具有氣敏特性的電阻，其輸出的電阻阻值會(huì)隨著乙醇?xì)怏w濃度的變化而相應(yīng)變化。MQ-3傳感器對(duì)于乙醇?xì)怏w的反應(yīng)程度最高，其輸出的電阻阻值與乙醇?xì)怏w濃度成反比，經(jīng)過(guò)測(cè)試阻值變化率約為0.6，傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系慎密，為了使測(cè)量的酒精濃度最高誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測(cè)量前需將傳感器預(yù)熱5min。預(yù)熱后半導(dǎo)體顆粒表面的吸附可導(dǎo)致材料載流子濃度發(fā)生相應(yīng)變化，從而改變電導(dǎo)率，使傳感器輸出電壓信號(hào)發(fā)生改變來(lái)相應(yīng)反映濃度變化。

MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理，檢測(cè)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2中AOUT為MQ-3傳感器模塊輸出的檢測(cè)電壓信號(hào)，送入ADC0832采集芯片端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。

2、A/D轉(zhuǎn)換電路

表1 MQ-3氣體傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)選用的ADC0832是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎。ADC0832的最高分辨可達(dá)256 級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 32μs，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò) DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇[5]。再本設(shè)計(jì)中ADC0832的功能是將酒精傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后將信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理，試驗(yàn)證明，本電路滿足本設(shè)計(jì)要求。在本設(shè)計(jì)中，ADC0832選擇模擬輸入通道0即CH0作為信號(hào)的采集端口。

3、CPU模塊電路

CPU模塊主要由單片機(jī)電路、晶振電路和復(fù)位電路三部分組成。

核心單片機(jī)電路選用宏晶公司高性能單片機(jī)STC89C52，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口[6]。可在內(nèi)部對(duì)外來(lái)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，顯示并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

復(fù)位電路由按鍵S1、電解電容C1和電阻R3組成。具有手動(dòng)按鍵復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位功能。系統(tǒng)上電復(fù)位按鍵接口采集到兩個(gè)高端信號(hào)后進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，就是非自動(dòng)的按鍵復(fù)位；系統(tǒng)檢測(cè)到的電壓由低電平上升到高電平的一段時(shí)間后，在這段時(shí)間過(guò)后，系統(tǒng)通過(guò)電阻與接地之間形成一條通路，然后自動(dòng)把高電平進(jìn)行拉低，使得單片機(jī)從高電位變?yōu)榈碗娢?，從而就是給單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位即上電復(fù)位[7]。

晶振電路由晶振Y1、瓷片電容C2和C3組成，本設(shè)計(jì)用12MHz晶振和20pF的電容組合，電容為了幫助晶振起振的，滿足了數(shù)字控制器上電以后可以正常工作。

4、LCD顯示電路

顯示部分采用LCD1602液晶屏。LCD1602為字符型液晶顯示屏，主要技術(shù)參數(shù)為：顯示容量為16×2個(gè)字符、芯片工作電壓為4.5～5.5V、工作電流為2.0mA（5.0V）、模塊最佳工作電壓為5.0V、字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm[8]。

LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳，其中，第4腳RS為寄存器選擇，RS=1數(shù)據(jù)寄存器、RS=0指令寄存器；第5腳RW為讀寫信號(hào)線，RW=1讀操作，RW=0寫操作。當(dāng)RS=0并RW=0時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS=0并RW=1讀忙信號(hào)，當(dāng)RS=1并RW=0寫入數(shù)據(jù)。第6腳E端為使能端，當(dāng)E端由1跳變成0時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。單片機(jī)通過(guò)P2.7～P2.5控制這三個(gè)引腳進(jìn)而控制LCD的顯示。

5、醉酒閾值調(diào)整按鍵電路

在本系統(tǒng)中，按鍵作為系統(tǒng)的輸入，起到了人機(jī)交互的樞紐作用。初始閾值直接在系統(tǒng)中設(shè)置為80mg/L，按鍵電路設(shè)置了S2和S3兩個(gè)按鍵，兩個(gè)按鍵的單片機(jī)控制引腳默認(rèn)為高電平，按鍵按下后，單片機(jī)的相關(guān)引腳則變成低電平。S2按鍵按下后，單片機(jī)檢測(cè)到低電平，對(duì)相應(yīng)的閾值變量執(zhí)行“+1”的指令，S3按鍵按下后，單片機(jī)檢測(cè)到低電平，對(duì)相應(yīng)的閾值變量執(zhí)行“-1”的指令，從而改變閾值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)輸入。其中閾值的調(diào)整范圍為0～999mg/L。

6、聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的報(bào)警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012來(lái)驅(qū)動(dòng)，只要單片機(jī)引腳為低電平，蜂鳴器就會(huì)鳴叫報(bào)警，反之則不鳴叫，可以通過(guò)控制單片機(jī)相關(guān)引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。同時(shí)，將LED燈串聯(lián)個(gè)電阻與蜂鳴器并聯(lián)，串聯(lián)電阻為限流電阻，當(dāng)蜂鳴器間隔鳴叫的時(shí)候，LED指示燈將閃爍報(bào)警。電路簡(jiǎn)單可靠，不需額外占單片機(jī)的I/O口。

7、供電電路

本設(shè)計(jì)采用電池盒接口供電，電源電壓5V，開(kāi)關(guān)設(shè)置為按鍵開(kāi)關(guān)。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分采用C語(yǔ)言編寫。先將系統(tǒng)按功能作用劃分為若干子模塊，然后根據(jù)子模塊要實(shí)現(xiàn)的功能完成各個(gè)子程序的編寫[9]。整個(gè)程序是采用查詢的方式編寫的。

主程序主要完成：檢測(cè)環(huán)境下的酒精濃度，對(duì)當(dāng)前的酒精濃度進(jìn)行顯示，并且經(jīng)過(guò)處理與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)等。本設(shè)計(jì)軟件主程序流程圖如圖5所示。給設(shè)備連接上電測(cè)試之后，主控芯片單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，酒精傳感器檢測(cè)外界環(huán)境的酒精濃度，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入單片機(jī)處理，顯示模塊顯示酒精濃度，并且與初始設(shè)定閾值相比較，如果超過(guò)閾值，單片機(jī)觸發(fā)報(bào)警裝置，否則，繼續(xù)檢測(cè)信號(hào)；檢測(cè)過(guò)程中，可以通過(guò)按鍵電路調(diào)整閾值，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)按鍵增加或者減小閾值大小，新的閾值確定后，系統(tǒng)重復(fù)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、報(bào)警等流程。

五、系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)軟件、硬件部分的調(diào)試，最后實(shí)現(xiàn)了本次酒精濃度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)功能。圖6所示為測(cè)試結(jié)果顯示。

上述測(cè)試結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)室模擬車輛內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行的，被測(cè)對(duì)象為以酒精為主的測(cè)試樣本通過(guò)噴霧的形式釋放出一定濃度的酒精。由圖6可知，開(kāi)機(jī)后先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱大約5min，當(dāng)酒精濃度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有任何反應(yīng)；當(dāng)有一定濃度的酒精釋放，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間約為15～20s，酒精氣體被傳感器采集后濃度開(kāi)始上升，超過(guò)設(shè)定值時(shí)LED燈亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警；過(guò)段時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)液晶屏上濃度開(kāi)始下降，并在降到設(shè)定值以下后LED熄滅，蜂鳴器不再發(fā)出報(bào)警，測(cè)試成功。

測(cè)試的同時(shí)，運(yùn)用市場(chǎng)上常用的警用JS-PD800酒精測(cè)試儀（此儀器的分辨率可達(dá)0.01mg/L，測(cè)量精度在室溫條件下，對(duì)乙醇?xì)怏w的測(cè)量允許誤差不超過(guò)0.8mg/L，儀表的精度等級(jí)為0.4級(jí)）進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，共進(jìn)行了五次比對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，五組比對(duì)數(shù)據(jù)如表2。經(jīng)過(guò)比對(duì)，本設(shè)計(jì)的測(cè)量誤差小于6%，系統(tǒng)精度符合預(yù)期。

當(dāng)然系統(tǒng)還有待進(jìn)一步的完善發(fā)展。由于各種環(huán)境因子相互影響，而本系統(tǒng)的控制輸出僅為簡(jiǎn)單的百分比信號(hào)量，這顯然不能滿足高精度的控制要求。應(yīng)引入模糊算法，專家系統(tǒng)等技術(shù)以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能決策水平[10]。系統(tǒng)還可以開(kāi)發(fā)成多機(jī)監(jiān)控模式，同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)被測(cè)對(duì)象，通過(guò)串行通信傳到上位機(jī)進(jìn)行綜合處理[11]。

六、結(jié)論

設(shè)計(jì)的酒精濃度檢測(cè)系統(tǒng)兼有濃度監(jiān)測(cè)與報(bào)警的功能。結(jié)果表明：整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、靈敏度高、體積小、性價(jià)比高。該酒精濃度檢測(cè)系統(tǒng)不僅可以用于檢測(cè)空氣中酒精的含量，對(duì)人身安全起到預(yù)防保護(hù)的作用，而且可以用于其他需要進(jìn)行酒精濃度檢測(cè)的環(huán)境。因此，市場(chǎng)前景廣闊、推廣價(jià)值高。