秦 嶺

（西安鐵路局 西安電務(wù)器材廠 科研所，西安 710054）

引 言

酒后駕車是導(dǎo)致交通事故的一個重要原因，給人們的生活和生命安全帶來巨大的危害。為了防止機動車輛駕駛?cè)藛T酒后駕車，現(xiàn)場實時對人體呼氣中酒精含量的檢查已日益受到重視。本系統(tǒng)針對現(xiàn)有酒精傳感器恢復(fù)時間較長的問題，通過計算斜率成功地實現(xiàn)了快速酒精濃度檢測，縮短了檢測間隔時間，大大提升了酒精檢測的效率。

1 酒精濃度探測儀的整體結(jié)構(gòu)

酒精濃度探測儀由單片機、酒精傳感器、信號調(diào)理電路、語音報警模塊、TFTLCD顯示模塊、通信模塊、功放模塊等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于語音報警模塊和TFTLCD顯示模塊對于單片機的處理速度和處理數(shù)據(jù)量要求高，再加上酒精檢測反應(yīng)速度較快，實時性較高，因此采用了ST公司的STM32系列的單片機作為主控端。ME3－C2H5OH電化學(xué)式氣敏元件具有功耗低、精度高、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強、重復(fù)性優(yōu)異和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機及其外圍接口的設(shè)計

單片機采用低功耗高速工業(yè)級芯片STM32F103VET6。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex－M3內(nèi)核，STM32F103為“增強型”系列，時鐘頻率達到72 MHz，具有512KB ROM、64KB RAM，普通I／O口為80個，具有8個定時／計數(shù)器，3個SPI、2個I2C總線、3個UART、1個USB、1個CAN總線等通信端口。具有2個I2S音頻口、1μs的雙12位 ADC、4Mbps的 UART、18 Mbps的SPI、18MHz的I／O翻轉(zhuǎn)速度，內(nèi)部集成優(yōu)異的安全時鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內(nèi)部RC振蕩器、內(nèi)嵌復(fù)位電路等，完全滿足本酒精濃度探測儀的設(shè)計需求。

圖1 酒精濃度探測儀結(jié)構(gòu)框圖

電源電路采用LM2596作為初級電壓轉(zhuǎn)換芯片，用來提供5V電壓給外圍模塊供電，采用AMS－3.3作為末級電壓轉(zhuǎn)換芯片，用來提供3.3V電壓給STM32供電。此芯片的輸出電流可以達到1A，輸入電壓調(diào)節(jié)率小于0.2%，負載調(diào)節(jié)率小于0.4%，輸出電壓穩(wěn)定。

看門狗電路采用美國IMP公司生產(chǎn)的系統(tǒng)μP監(jiān)控芯片IMP706，IMP706能在上電、掉電期間或手動情況下產(chǎn)生復(fù)位信號，該器件內(nèi)含有1個1.6s的看門狗定時器和4.4V的電源電壓監(jiān)視器。另外，IMP706還有1個1.25V門限的電源故障報警電路，可用于檢測電池電壓和非5V的電源。

2.2 酒精傳感器

ME3－C2H5OH型酒精傳感器根據(jù)電化學(xué)原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過程，待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過檢測電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。ME3－C2H5OH傳感器檢測處理電路如圖2所示。對被測者呼出氣體中酒精濃度的反應(yīng)以采樣電阻R1來獲取采樣電壓，通過運放負反饋放大電路，對采樣電壓進行放大。電路中的RT是熱電阻，用來抵消溫度漂移，保證恒定的放大系數(shù)。放大后的電壓信號送入STM32的ADC中，對經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進行分析處理，最后計算出酒精濃度的大小，從而判斷被測者是否飲酒。判斷結(jié)果通過語音芯片進行語音提示，再通過LCD顯示濃度值。

圖2 酒精傳感器信號調(diào)理電路圖

圖3酒精傳感器為靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)及輸出信號特性圖，圖4為濃度線性特征曲線圖。由圖3和圖4可以看出，ME3－C2H5OH型電化學(xué)元件靈敏度高、響應(yīng)速度快、零點漂移較小，而且此元件是線性的。因此，采用這類電化學(xué)元件來檢測酒精濃度值精度較高，反應(yīng)較快。

2.3 語音報警模塊

圖3 靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)及輸出信號特性圖

圖4 濃度線性特征曲線圖

XF－S4040－CN中文語音合成芯片，是安徽中科大訊飛信息科技有限公司推出的基于InterSound4.6中文語音合成系統(tǒng)而設(shè)計的一款全新的中文語音合成芯片。該芯片可以通過異步串口（UART）及I2C總線接口方式接收命令和待合成的文本，直接合成為語音輸出，主要面向中高端應(yīng)用領(lǐng)域，提供一套語音合成效果出色、體積極小的語音解決方案。語言合成模塊電路如圖5所示。

XF－S4040－CN中文語音合成芯片針對嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計，具有合成任意中文文本及英文字母的能力。該芯片的主要特點是合成語音自然度高，控制接口簡單方便，可調(diào)節(jié)功能強大。其操作命令格式如下所示。

幀頭 數(shù)據(jù)區(qū)長度 數(shù)據(jù)區(qū)0xFD 高字節(jié) 低字節(jié) 命令字 文本編碼格式 待合成文本0xHH 0xLL 0x01 0x00～0x03…

基于串口的操作例程如下：

圖5 語音報警模塊電路圖

2.4 功放模塊

TDA7266是雙路音頻立體聲放大器，以 MULTIWATT形式封裝，專門為音樂設(shè)備和彩色電視機的高質(zhì)量音頻放大電路而設(shè)計。語音報警模塊輸出的左聲道和右聲道的語音信號通過電位器進入TDA7266放大器中，進行語音信號的放大，電位器用來調(diào)節(jié)音量大小，放大后輸出兩路音頻信號，將這兩路分別接到兩個揚聲器上。TDA7266功放電路簡單，聲音效果比較好，因此被廣泛應(yīng)用于高質(zhì)量的音頻放大上。功放模塊電路如圖6所示。

圖6 功放模塊電路圖

2.5 通信模塊

要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS－485串行總線，RS－485采用平衡發(fā)送和差分接收的組合，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS－485接口總線上允許連接多達128個收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用簡單的RS－485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計中，正是考慮到酒精濃度探測儀的數(shù)據(jù)有可能要傳回電腦上位機終端，要求傳輸距離比較遠而且信號失真小，因此選擇RS－485通信。

2.6 TFTLCD顯示模塊

酒精濃度探測儀在使用中，需要顯示酒精濃度值大小、報警信息，同時還需要輸入酒精濃度報警點預(yù)設(shè)值，用來設(shè)定酒精濃度報警的范圍。因此，本設(shè)計中采用TFTLCD來顯示酒精濃度值，TFTLCD具有觸摸功能，可用于輸入酒精濃度預(yù)設(shè)值。

TFTLCD采用了26萬色的TFTLCD屏幕，分辨率為320×240，可以實現(xiàn)友好的人機接口界面顯示。TFTLCD采用了Ilitek公司生產(chǎn)的ILI9320，它可以通過多種并行通信方式與單片機通信。TFTLCD屏幕自帶電阻式觸摸屏，利用壓力感應(yīng)進行控制，采用TI公司生產(chǎn)的ADS7846作為觸摸屏控制芯片。ADS7846內(nèi)部集成了12位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換頻率為125kHz。使用時，ADS7846通過兩次A／D轉(zhuǎn)換得到觸點位置的X、Y坐標，通過SPI總線與STM32通信，完成控制信息的輸入。

3 軟件設(shè)計

3.1 總體軟件設(shè)計方案

系統(tǒng)初始化完畢后，首先采集酒精濃度傳感器的值，采用do…while（）等待傳感器初始化，直到最佳狀態(tài)，否則就一直等待。傳感器初始化完成之后，就開始進入循環(huán)檢測模式，當有人吹氣時，可根據(jù)斜率的變化范圍檢測到，然后判斷其是否喝酒。當檢測到酒精氣體時，傳感器的電導(dǎo)率將會隨著氣體濃度的增大而增大，導(dǎo)致與傳感器連接的分壓電阻的電壓增大，單片機A／D接口的第7個通道將會采集此電壓。當電壓值增大到一定程度，即酒精濃度達到設(shè)定的值時，就會將標志位置為喝酒狀態(tài)；如果電壓降低，即酒精濃度為零，此時標志位置為正常狀態(tài)。根據(jù)以上兩種不同狀態(tài)，蜂鳴器、語音模塊以及LED指示燈進行不同的報警。單片機不停地進行定時的A／D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷中進行濾波、比較，兩次A／D測量值的差值既是電壓的變化率，也就是所需要的斜率值，將此值與之前設(shè)定的斜率范圍值進行比較，從而也可以判斷出被測者是否飲酒。LCD會一直將采集到的值進行濾波和取均值后的值進行動態(tài)顯示。

3.2 斜率算法設(shè)計

斜率算法的設(shè)計中主要使用到了單片機的定時A／D轉(zhuǎn)換資源，根據(jù)前文所述，需要計算電壓變換的斜率，即電壓在一定時間內(nèi)的變化范圍，使用定時A／D轉(zhuǎn)換功能可輕易地實現(xiàn)這一需求。

圖7為A／D轉(zhuǎn)換中斷程序流程圖，在主程序中只要根據(jù)此中斷設(shè)置的標志位即可作出相應(yīng)的操作，比如語音播放的控制、蜂鳴器報警、LED燈的閃爍等。

結(jié) 語

圖7 A／D轉(zhuǎn)換中斷程序流程圖

本文詳細介紹了基于STM32的酒精濃度探測儀設(shè)計方法。該探測儀具有高精度、高靈敏度、友好的人機交互、智能化的語音報警、攜帶方便等優(yōu)點，可適用于各種需要對人體酒精含量進行檢測的場合，尤其適用于酒后駕車的檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] ST.STM32固件庫使用手冊，2012.

[2] WINSEN.ME3－C2H5OH電化學(xué)式氣敏元件使用手冊，2012.

[3] 全書海，雷碩，畢常青.基于單片機的語音合成電路設(shè)計與應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用研究，1999（9）.

[4] 陳燕生，夏春華.基于斜率計算的酒精濃度測試通道控制系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù)，2009（6）.