基于單片機(jī)的酒精檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳立軍，張然然，潘東旭

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與自動(dòng)化學(xué)院， 安徽 蕪湖 241006）

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展， 機(jī)動(dòng)車的存有量持續(xù)增長。 據(jù)公安部交管局最新統(tǒng)計(jì)， 截至2022年9 月末， 全國機(jī)動(dòng)車存有量達(dá)4.12 億輛[1]。 由酒駕和醉駕引起的交通事故， 已嚴(yán)重威脅到了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)， 當(dāng)人體酒精質(zhì)量濃度超過80 mg/dL 時(shí)， 交通事故發(fā)生的概率是常規(guī)駕駛的2 倍， 當(dāng)人體酒精質(zhì)量濃度達(dá)到100 mg/dL 時(shí)，交通事故發(fā)生的概率是酒精質(zhì)量濃度為0 時(shí)的5倍左右[2]。 這些數(shù)據(jù)都顯示酒后駕駛、 醉酒駕駛的巨大危害。 人的行為類型與血液酒精質(zhì)量濃度見表1[3]。

表1 行為類型與血液酒精質(zhì)量濃度 mg/dL

目前市面上常見酒精測(cè)試儀多為手持式， 通常體積大、 價(jià)格昂貴、 采用干電池供電。 本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的酒精檢測(cè)系統(tǒng)， 可以快速、 準(zhǔn)確判斷被測(cè)者是否飲酒， 當(dāng)酒精質(zhì)量濃度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)， 系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警、 并顯示酒駕或醉駕。

1 總體方案論述

以單片機(jī)為主控制模塊， MQ-3 傳感器采集氣體中的酒精質(zhì)量濃度信息， 并將酒精質(zhì)量濃度信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出， 電壓信號(hào)經(jīng)模數(shù)（A/D） 轉(zhuǎn)換模塊處理后， 再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 并將酒精質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)顯示在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）屏上。 如果被測(cè)者酒精質(zhì)量濃度值超出設(shè)定閾值范圍， 蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警， OLED 屏實(shí)時(shí)顯示酒駕或醉駕的判斷結(jié)果。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 酒精傳感器MQ-3 工作原理

MQ-3 傳感器對(duì)酒精具有選擇性， 當(dāng)空氣中沒有其他組分時(shí)電導(dǎo)率較低， 一旦空氣中酒精氣體含量增高時(shí)， 電導(dǎo)率便隨著變大， 電導(dǎo)率的變化會(huì)經(jīng)相應(yīng)電路輸出不同的電壓信號(hào)[4]。 第86 頁圖2 為傳感器的靈敏度特征曲線圖， 其中為元件在不同氣體、 不同質(zhì)量濃度下的電阻與元件在純凈空氣中的電阻的比。 由圖可知， MQ3 傳感器檢測(cè)的酒精質(zhì)量濃度和不同環(huán)境狀態(tài)下的電阻比為線性關(guān)系； 在檢測(cè)酒精質(zhì)量濃度過程中， 此線性關(guān)系將轉(zhuǎn)換為酒精質(zhì)量濃度和電壓之間的線性關(guān)系[5]。

圖2 MQ-3 傳感器靈敏度特征曲線

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

1） 主控模塊電路設(shè)計(jì)（見圖3） 。 主控模塊選用LQFP-44 封裝的STC89C52RC 單片機(jī)， 功耗低、具有高性能的8 位互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS） 。其管腳圖見圖3-a。

圖3 主控模塊電路設(shè)計(jì)

2） A/D 轉(zhuǎn) 換 模 塊。 采 用ADC0832 芯 片 作 為A/D 轉(zhuǎn)換模塊， 擁有8 位最高達(dá)256 級(jí)的分辨率，可以滿足系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換需求[6]。 MQ-3 傳感器檢測(cè)的模擬量信息經(jīng)ADC083 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成主控單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量信息。 ADC0832 模塊和單片機(jī)接口電路見圖3-b。

3） 液晶顯示模塊。 采用24.38 mm（0.96 in）OLED 屏幕作為顯示模塊。 其有4 個(gè)引腳， 具有128×64 的像素， 采用集成電路總線（IIC） 的通信方式。

4） 電源模塊。 采用電池或外接USB 電源作為供電電源， 電壓為5.0 V， 供電電路見圖3-c。

3.2 系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求， 主程序設(shè)計(jì)需要對(duì)定時(shí)器、 A/D 轉(zhuǎn) 換、 OLED 顯 示 屏 進(jìn) 行 初 始 化， 觸 發(fā)A/D 轉(zhuǎn)換模塊， 將MQ-3 傳感器采集的信息轉(zhuǎn)換成酒精質(zhì)量濃度值， 經(jīng)單片機(jī)處理， 顯示在OLED 屏上， 若超過設(shè)定閾值， 會(huì)顯示酒駕或醉駕并發(fā)出聲光報(bào)警。 系統(tǒng)軟件流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在完成系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)之后， 開始系統(tǒng)功能聯(lián)合調(diào)試工作（見圖5） 。 首先系統(tǒng)開機(jī)， 等待MQ-3 氣敏傳感器預(yù)熱20 s 后， 用棉簽蘸取適量酒， 靠近氣敏傳感器。 此時(shí)酒精質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)顯示在屏幕上， 超過程序設(shè)定的20 mg/dL 報(bào)警閾值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警， 整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常。

圖5 系統(tǒng)調(diào)試

1） 接通電源， OLED 顯示的是初始化畫面， 酒精質(zhì)量濃度顯示為0， 單位為mg/dL， 報(bào)警閾值為20 mg/dL（見圖5-a 所示）。

2） 用沒有蘸取酒的棉簽靠近傳感器， 蜂鳴器不報(bào)警且其指示燈不亮， OLED 屏顯示酒精質(zhì)量濃度為0， 報(bào)警閾值為20 mg/dL（見圖5-b） ， 表示正常駕駛。

3） 用蘸取酒的棉簽接近酒精傳感器， 蜂鳴器報(bào)警且其指示燈亮， OLED 屏顯示酒精質(zhì)量濃度為50 mg/dL， 酒駕范圍為20～80 mg/dL（見圖5-c）。

4） 繼續(xù)用蘸取酒的棉簽接近酒精傳感器， 蜂鳴器發(fā)出報(bào)警且指示燈亮， OLED 屏顯示酒精質(zhì)量濃度為106 mg/dL 且顯示醉駕范圍為＞80 mg/dL（見圖5-d）。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)先后完成了酒精質(zhì)量濃度采集模塊、 供電模塊、 液晶顯示模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊以及報(bào)警模塊等電路的設(shè)計(jì)， 整個(gè)裝置較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。 系統(tǒng)可以快速、 準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)者呼出的酒精質(zhì)量濃度， 當(dāng)酒精質(zhì)量濃度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)， 系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警， 并顯示酒駕或醉駕。 系統(tǒng)具有價(jià)格低、 實(shí)用性強(qiáng)、 便攜等特點(diǎn)， 可廣泛用于酒駕、 醉駕的監(jiān)測(cè)及酒廠等場所酒精質(zhì)量濃度的檢測(cè)。