辛慧娟

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng)712000）

基于單片機(jī)的車(chē)載酒精濃度測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

辛慧娟

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng)712000）

本文以STC12C5A16AD單片機(jī)為核心控制器，利用MQ-3型氣體傳感器將氣體中含有乙醇?xì)鈶B(tài)濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路送由單片機(jī)處理，并將乙醇的濃度通過(guò)LCD直觀顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)酒精濃度的測(cè)量。當(dāng)乙醇濃度超過(guò)設(shè)定允許值時(shí)，電路發(fā)出報(bào)警。

STC12C5A16AD單片機(jī)；MQ-3氣體傳感器；A/D轉(zhuǎn)換；顯示濃度

近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步、我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民的生活水平迅速提高，越來(lái)越多的人有了自己的私家車(chē)，而酒后駕車(chē)造成的交通事故也頻頻發(fā)生[1-2]。酒后駕車(chē)引起的交通事故主要是由于司機(jī)的過(guò)量飲酒而造成人體內(nèi)酒精濃度過(guò)高，麻痹神經(jīng)，造成大腦反應(yīng)遲緩，肢體不受控制等癥狀造成的。多年前交通管理者判定駕駛?cè)藛T是否有飲酒只能靠主觀判斷、肉眼的觀察和去醫(yī)院進(jìn)行血液中酒精含量的檢測(cè)，這些不科學(xué)不及時(shí)的方法造成了很多不必要的誤會(huì)和麻煩。目前，世界上絕大多數(shù)國(guó)家都采用呼氣酒精測(cè)試儀對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以確定被測(cè)量者體內(nèi)酒精含量的多少，以確保駕駛員的生命財(cái)產(chǎn)安全。另外，灑精易燃易爆，有關(guān)的各種工業(yè)活動(dòng)中都要特別注意預(yù)防這種氣體的泄露。從工廠企業(yè)到居民家庭，酒精泄露的檢測(cè)、監(jiān)控監(jiān)測(cè)對(duì)居民的人身和財(cái)產(chǎn)安全都是十分重要且必不可少的。因此，設(shè)計(jì)一款便攜式的酒精濃度測(cè)試儀有著現(xiàn)實(shí)的意義[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

車(chē)載酒精濃度測(cè)試儀是一款便攜式的灑精檢測(cè)儀器，所以各電路部分器件最重要的就是體積小巧功能強(qiáng)大。考慮到本設(shè)計(jì)產(chǎn)品之后要在不同的環(huán)境下使用，我們以單片機(jī)為核心控制器。本系統(tǒng)要直接檢測(cè)車(chē)內(nèi)氣體的酒精濃度，再利用變量關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為血液中的酒精含量濃度，故需要采用具有靈敏度高、選擇性好、可靠性高和使用壽命長(zhǎng)的氣敏傳感器同時(shí)考慮到車(chē)內(nèi)空氣中其他氣體成分對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性造成的影響，故選擇了只對(duì)酒精氣體敏感的型氣敏傳感器。酒精傳感器利用信號(hào)輸出回路檢測(cè)所處環(huán)境中的酒精濃度，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中酒精濃度的增加而增大，即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。在對(duì)酒精傳感器能正常工作的溫度范圍、對(duì)酒精的敏感度、低功耗等因素作了參考比較后選擇了 MQ303A酒精傳感器作為敏感單元，利用它把氣體中含有的乙醇?xì)鈶B(tài)濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路送由單片機(jī)處理，由LCD直觀顯示被測(cè)氣體中的乙醇濃度，根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的閾值，超過(guò)閾值即進(jìn)行聲光報(bào)警[4]，圖1為酒精濃度測(cè)試儀方框圖。

圖1 酒精濃度測(cè)試儀方框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

本硬件由4部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊，酒精傳感器模塊，顯示模塊，存儲(chǔ)模塊。本系統(tǒng)由單片機(jī)STC12C5A16AD控制，其直接控制兩個(gè)模塊：閥值存儲(chǔ)模塊將與酒精傳感器采集到并輸送到單片機(jī)控制處理后的數(shù)字信號(hào)相比較，LCD顯示模塊可以將經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理過(guò)的酒精氣體濃度具體量化值顯示出來(lái)。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)，該電壓信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，與設(shè)定的醉酒閥值進(jìn)行比較，并顯示或報(bào)警。

STC12C5A16AD芯片為52內(nèi)核8位單片機(jī)，內(nèi)部集成了10位多路A/D轉(zhuǎn)換模塊，適用于常用檢測(cè)電路。由STC12C5A16AD組成的單片機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖中AOUT為MQ-3傳感器模塊輸出的檢測(cè)電壓信號(hào)，送入ADC7端口進(jìn)行處理，DOUT為傳感器模塊輸出的數(shù)字電平信號(hào)，該信號(hào)可以根據(jù)乙醇?xì)怏w濃度直接輸出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警閾值通過(guò)模塊上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，按鍵K2和K3為醉酒閾值調(diào)整鍵，其中K2為“增加”，K3為“減小”按鍵。L2和L3為報(bào)警指示燈，分別可以進(jìn)行酒后和醉酒兩級(jí)報(bào)警。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

2.2 乙醇信號(hào)檢測(cè)及MQ-3傳感器調(diào)理電路

酒精濃度測(cè)試儀電路的傳感器模塊具有信號(hào)輸出指示、雙路信號(hào)輸出、TTL輸出有效信號(hào)為低電平、模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高的特點(diǎn)，方便與單片機(jī)系統(tǒng)接口組成檢測(cè)儀器。MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器及其調(diào)理電路原理如圖3所示。經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后，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[4]。

2.3 顯示電路

酒精濃度測(cè)試儀電路的LCD1602顯示器通常有14條引腳線(xiàn)或16條引腳線(xiàn)的LCD，多出來(lái)的2條線(xiàn)是背光電源線(xiàn)。顯示電路主要功能有：40通道點(diǎn)陣LCD驅(qū)動(dòng)；可選擇當(dāng)作行驅(qū)動(dòng)或列驅(qū)動(dòng)；輸出能產(chǎn)生20×2個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)波形輸入接受控制器送出的串行數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，偏壓；通過(guò)單片機(jī)控制將所測(cè)的頻率信號(hào)讀書(shū)顯示出來(lái)。與單片機(jī)接口電路如圖4所示。其中J2的3腳為背光引腳，R9和R10電阻用于調(diào)節(jié)背光亮度。J2的4、5、6引腳分別接液晶的RS、E/W和E控制引腳，J2的7—14引腳為數(shù)據(jù)引腳[5]。

圖3 傳感器及調(diào)理模塊原理圖

圖4 LCD與單片機(jī)接口電路

2.4 閾值存儲(chǔ)

酒精濃度測(cè)試儀電路的醉酒閾值存儲(chǔ)在EEPROM芯片AT24C04中，電路可以通過(guò) “增加”、“減少”按鍵調(diào)節(jié)并保存此醉酒閾值。AT24C04是IIC接口的EEPROM芯片，可以用于掉電不易丟失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[6-10]。EEPROM存儲(chǔ)電路如圖5所示，A0、A1和A2為芯片的地址引腳，一般接地即可。SCL和SDA為AT24C04和單片機(jī)IIC通信的時(shí)鐘線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)。

圖5 EEPROM存儲(chǔ)電路

3 軟件設(shè)計(jì)流程

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要完成時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換、報(bào)警、顯示等功能，主程序流程圖如圖6所示。軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)酒敏傳感器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將測(cè)量數(shù)值與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較后判斷飲酒程度，調(diào)用相應(yīng)的顯示、報(bào)警程序。程序首先進(jìn)行的是酒精濃度采集，當(dāng)傳感器檢測(cè)到酒精氣味時(shí)，氣體傳感器MQ-3兩個(gè)電極端A-B間電阻將變小[11-14]，對(duì)應(yīng)與氣體傳感器負(fù)載電阻的分壓將變大，輸出電壓也將變大，這一變化的數(shù)值送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中，之后通過(guò)軟件編寫(xiě)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將這一變化值成功地通過(guò)LCD1602顯示，判定濃度是否超過(guò)設(shè)定閥值，如被測(cè)酒精濃度超過(guò)了這一數(shù)值，聲光報(bào)警電路開(kāi)始報(bào)警。

圖6 主程序流程圖

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的車(chē)載酒精濃度測(cè)試儀，設(shè)計(jì)過(guò)程包括了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件主程序流程兩部分，其中硬件系統(tǒng)主要完成單片機(jī)系統(tǒng)原理電路、乙醇信號(hào)檢測(cè)及MQ-3傳感器調(diào)理電路、顯示電路和閾值存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)；軟件系統(tǒng)主要完成時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換、報(bào)警、顯示等功能的流程設(shè)計(jì)。通過(guò)本設(shè)計(jì)方案研制的試驗(yàn)機(jī)多次測(cè)試得出，對(duì)應(yīng)于人體血液中乙醇濃度為80～1 000 mg/L，酒精濃度測(cè)試儀的測(cè)量范圍0.05～0.74 mg/L，絕對(duì)誤差不超過(guò)0.04 mg/L，所有性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，準(zhǔn)確度較高，聲光報(bào)警器均工作正常。該儀器占地面積小，測(cè)試靈敏度、抗干擾能力等性能指標(biāo)，特別適合駕駛員自測(cè)是否飲酒過(guò)量；另外，在對(duì)酒精濃度指示標(biāo)度進(jìn)行重新設(shè)定時(shí)，還可作為工廠、企業(yè)、居民家庭等環(huán)境的酒精泄露檢測(cè)、監(jiān)控監(jiān)測(cè)的監(jiān)控儀，是一款較實(shí)用的測(cè)試儀器[15-16]。

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Design of the vehicle concentration detector based on single chip

XIN Hui-juan
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

In this paper，the author use STC12C5A16AD single chip as the core controller，by using the MQ-3 gas sensor to converte alcohol concentration into electrical signal，and then through the A/D conversion circuit to be sent to the single chip microcomputer processing，and the concentration of ethanol was directly displayed by LCD，so as to realize the measurement of alcohol concentration.when the ethanol concentration is exceeded，the circuit alarm is issued.

STC12C5A16AD chip； MQ-3 gas sensor； A/D converter； display the concentration

TN7

：A

：1674－6236（2017）14-0082-04

2016-04-15稿件編號(hào)：201604159

辛慧娟（1983—），女，陜西榆林人，碩士，講師。研究方向：電子電路及檢測(cè)技術(shù)。