基于單片機(jī)控制的酒精濃度測(cè)試儀設(shè)計(jì)

劉嘉慧

（遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)院，遼寧沈陽，110023）

0 引言

人民的生活水平逐年提高，私家車數(shù)量日益增加，交通事故頻繁發(fā)生,大部分事故造成的原因是酒后駕車，因此需要設(shè)計(jì)一款智能的儀器來檢測(cè)駕駛員體內(nèi)酒精含量。遠(yuǎn)古時(shí)代的方法是利用鼻子作為傳感器，來進(jìn)行氣體的檢測(cè)，從而判斷氣體中是否含有酒精。此方法存在爭(zhēng)議，無法提供依據(jù)。后來用液體試劑對(duì)酒精進(jìn)行定量分析。通過和已知酒精濃度的標(biāo)準(zhǔn)試劑進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)論，但此法比較繁瑣。現(xiàn)階段的方法是警察使用一種便攜式的酒精濃度測(cè)試儀，讓駕駛員進(jìn)行吹氣采集呼出的氣體，再通過儀器來判斷駕駛員是否飲酒。這種做法只能初步估計(jì)駕駛員是否酒駕，但要判斷是否醉駕，只能通過血液檢測(cè)才能達(dá)到目的。因此對(duì)呼出氣體做精確的測(cè)試和傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)血液酒精分析相比具有便攜、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn)，不僅能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，也為交警節(jié)省了時(shí)間，使交通控制更高效。由此可見，高精度、高可靠性與微型化是酒精濃度檢測(cè)儀是接下來研究的方向。

1 酒精濃度測(cè)試儀總體設(shè)計(jì)方案

1.1 酒精濃度檢測(cè)儀設(shè)計(jì)要求分析

（1）系統(tǒng)具有小巧便于攜帶、功耗低、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

（2）本系統(tǒng)以AT89C51系列單片機(jī)為核心，同時(shí)配有LCD液晶顯示、按鍵設(shè)置等外圍電路進(jìn)行交互工作，完成數(shù)據(jù)的具體采樣、保存、計(jì)算處理、結(jié)論分析等過程

（3）軟件的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)。

1.2 酒精濃度檢測(cè)儀構(gòu)成

酒精濃度的檢測(cè)前端是通過傳感器實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過處理將非電量轉(zhuǎn)換為電量，輸出電壓在0V-5V之間，后端將傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)再對(duì)由傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并顯示出來。因此本系統(tǒng)由AT89C51系列單片機(jī)、酒精傳感器、LCD1602顯示屏、按鍵、LED報(bào)警指示燈、開關(guān)和電源等器件構(gòu)成。本測(cè)試儀可以檢測(cè)氣體中的酒精濃度，并采用液晶屏顯示出酒精濃度和醉酒閾值，醉酒閾值可通過按鍵來設(shè)置，同時(shí)具有報(bào)警功能。當(dāng)檢測(cè)值超過醉酒閾值時(shí)，相應(yīng)的指示燈亮，即紅燈亮，黃燈的報(bào)警值可通過模塊上的電位器調(diào)節(jié)閾值。

2 酒精濃度測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

本文設(shè)計(jì)的酒精濃度測(cè)試儀，在前端檢測(cè)裝置的選擇上采用氣敏傳感器，因?yàn)楹染坪?，呼出的氣體中酒精濃度很高，因此要求檢測(cè)儀器只對(duì)酒精氣體敏感，而對(duì)其他氣體不敏感，在將呼出氣體的酒精濃度轉(zhuǎn)換為血液中的酒精濃度，綜合以上因素，選用MQ-3型氣敏傳感器。該傳感器靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、選擇性及穩(wěn)定性好。唯一的不足之處在于測(cè)量前需預(yù)熱一段時(shí)間。

2.2 電源電路

電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，采用LM393電壓比較電路來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源包括四部分，分別是變壓部分，整流部分、濾波部分和穩(wěn)壓部分。常用的電子設(shè)計(jì)中電源供電一般采用5V。

2.3 LCD1602顯示電路

LCD1602液晶顯示器能夠顯示16列2行共計(jì)32字符。液晶顯示器在我們的日常生活中隨處可見，如家用電器上的觸控裝置、電腦手機(jī)屏幕、計(jì)算器、萬用表等儀器儀表中都可以看到。液晶顯示器上可以顯示數(shù)字、圖形和符號(hào)等信息，是一種工業(yè)字符型液晶。液晶顯示器彩色鮮艷，便于觀察，適用于大規(guī)模集成電路、便攜筆記本電腦、攝像機(jī)及手機(jī)終端等設(shè)備中。

2.4 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路主要由LED發(fā)光二極管、蜂鳴器構(gòu)成。其中LED器件能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能。LED元器件的使用壽命長(zhǎng)、功耗低、光強(qiáng)高、輻射小。在家庭照明電路中起著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)利用LED報(bào)警裝置指示酒精是否超標(biāo)。當(dāng)檢測(cè)值超過醉酒閾值時(shí)，相應(yīng)的指示紅燈亮起，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音。

2.5 EEPROM閾值存儲(chǔ)器

閾值的設(shè)定由按鍵來完成，同時(shí)存儲(chǔ)在EEPROM中，本設(shè)計(jì)選用的閾值存儲(chǔ)器為AT24C02。AT24C02是2K位串行CMOS EEPROM，有1個(gè)16字節(jié)寫緩沖器，具有寫保護(hù)功能，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，最多可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)AT24C02器件在總線上的連接。具體系統(tǒng)硬件接線原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件接線原理圖

3 酒精濃度測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)

在主程序的設(shè)計(jì)部分，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化、定時(shí)器的初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的初始化、顯示電路的初始化。之后進(jìn)行循環(huán)，觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，單片機(jī)將MQ-3酒精傳感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)換算為酒精的濃度，并通過液晶顯示器顯示出來。接下來判斷酒精濃度值是否超過設(shè)定的閾值，濃度超過閾值會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警提示，沒有超過設(shè)定的閾值只顯示不報(bào)警。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 酒精濃度測(cè)試儀的系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試過程分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。首先進(jìn)行硬件調(diào)試，檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)的合理性以及簡(jiǎn)便性，同時(shí)判斷能否達(dá)到預(yù)期效果。在硬件調(diào)試過程中要仔細(xì)檢查電路的焊接情況。按照酒精采集電路、顯示電路、主控制電路的順序依次進(jìn)行調(diào)試。其次進(jìn)行軟件調(diào)試，檢查程序的編寫是否有錯(cuò)誤，能否更優(yōu)化等問題。

調(diào)試過程中遇到的問題：

（1）對(duì)芯片引腳不熟悉，出現(xiàn)焊接順序錯(cuò)誤，最后重新購(gòu)買器件進(jìn)行焊接解決了此問題。（2）在編寫程序的過程中，發(fā)現(xiàn)C語言語法錯(cuò)誤，后續(xù)通過檢查依次改正。（3）酒精值一直沒有顯示，通過對(duì)顯示器的測(cè)試及查閱資料發(fā)現(xiàn)，MQ-3傳感器初次使用時(shí)要通電預(yù)熱。

5 結(jié)論

本測(cè)試儀由AT89C51系列單片機(jī)、氣敏傳感器、LCD1602顯示屏、按鍵、LED報(bào)警指示燈、開關(guān)和電源等器件構(gòu)成?？梢詸z測(cè)氣體中的酒精濃度，并采用液晶屏顯示出酒精濃度和醉酒閾值，醉酒閾值可通過按鍵來設(shè)置，同時(shí)具有報(bào)警功能。當(dāng)檢測(cè)值超過醉酒閾值時(shí)，相應(yīng)的指示燈亮，即紅燈亮，黃燈的報(bào)警值可通過模塊上的電位器調(diào)節(jié)閾值。測(cè)試儀前端用MQ-3氣敏傳感器對(duì)酒精濃度進(jìn)行采集，利用AT89C51系列單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理，處理后顯示輸出。該酒精濃度測(cè)試儀具有醉酒閾值設(shè)定得功能，此功能通過按鍵來觸發(fā)設(shè)定，可根據(jù)具體用戶需求設(shè)定醉酒閾值并進(jìn)行保存，是一款實(shí)用性強(qiáng)、安全可靠便于攜帶的氣體乙醇濃度檢測(cè)工具。