鄒夢麒 龔蔣

摘 要：為了防止在鐵路工作中出現(xiàn)因飲酒造成的各種安全事故，設(shè)計(jì)了一種以MQ-3酒精傳感器為核心，采用STC89C52單片機(jī)為控制處理器，LCD液晶顯示并帶有聲光報(bào)警功能的酒精濃度檢測儀。分析了酒精濃度檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳述了系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計(jì)方法，并對其進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：當(dāng)空氣中酒精濃度超標(biāo)時，酒精檢測儀會發(fā)出聲光報(bào)警，具有一定的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)；MQ-3酒精傳感器；聲光報(bào)警；酒精檢測儀

鐵路員工數(shù)量龐大，在每個新職員工入職之前，各相關(guān)部門都會對其進(jìn)行相關(guān)的入路培訓(xùn)[1，2]。在培訓(xùn)時就明確地指出不允許工作人員在工作前飲酒，以防各種事故的發(fā)生?！惰F路技術(shù)規(guī)程》第390條規(guī)定，鐵路行車有關(guān)人員，接班前須充分休息，嚴(yán)禁飲酒，如有違反，立即停止其所承擔(dān)的任務(wù)。[3]在《道路交通安全》中對飲酒處罰做了相應(yīng)的規(guī)定[4，5]。為保障員工的生命安全，杜絕酒后作業(yè)現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的酒精檢測儀，可以在員工作業(yè)前對其進(jìn)行酒精濃度檢測。

該酒精濃度檢測儀，以單片機(jī)最小系統(tǒng)和酒精傳感器為核心，具有聲光報(bào)警功能及 LCD 顯示功能，并采用匯編語言來實(shí)現(xiàn)其軟件功能，還可以通過改變其酒精濃度的檢測閾值，以適用于各種不同的工作場所。同時，該酒精濃度檢測儀還具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、攜帶方便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠吸引較多的市場目光。[6]

1 酒精檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

酒精檢測系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊、電源模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、指示燈模塊、按鍵模塊、酒精氣體傳感器模塊以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成。酒精傳感器[5]采用電阻分壓的方法接在模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的通道1口。當(dāng)酒精傳感器監(jiān)測到空氣中酒精濃度時，通過單片機(jī)的運(yùn)算處理，可以將酒精濃度在液晶顯示器上顯示出來。酒精濃度的報(bào)警閾值可以通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)檢測到空氣中的酒精濃度超標(biāo)時，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，指示燈開始閃爍。

2 酒精檢測系統(tǒng)主要硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)在整個酒精檢測系統(tǒng)中起著統(tǒng)籌的作用，需要檢測鍵盤，溫度傳感器等各種參數(shù)，同時驅(qū)動液晶顯示相關(guān)參數(shù)。[7]本文選用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片來設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)。主要由STC89C52單片機(jī)、復(fù)位電路、時鐘電路構(gòu)成。

2.2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

傳感器傳輸?shù)拇蠖际沁B續(xù)變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號后，需要A/D轉(zhuǎn)換將其變成數(shù)字信號才可以輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制。本文選用的是ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 傳感器的設(shè)計(jì)

一般的氣體傳感器有半導(dǎo)體型氣體傳感器和電化學(xué)型氣體傳感器兩種。[8]半導(dǎo)體型傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，動態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。且半導(dǎo)體為敏感材料，容易實(shí)現(xiàn)傳感器智能化和集成化。故在本設(shè)計(jì)選用MQ-3半導(dǎo)體型酒精氣體傳感器。

2.4 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)中常用的液晶顯示屏通常有兩種，一種是LCD12864液晶顯示器，一種是LCD1602液晶顯示器。LCD1602是字符型液晶顯示器，其主控芯片是HD44780或其他兼容芯片。LCD12864液晶顯示器是一種圖形點(diǎn)陣顯示器，除了普通字符外，它還可以顯示圖像及漢字。本文主要是用來顯示酒精的濃度，LCD1602顯示屏完全能夠滿足使用的要求。

2.5 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

酒精檢測系統(tǒng)的報(bào)警電路由PNP型S8550三極管驅(qū)動。當(dāng)單片機(jī)輸出的是低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，指示燈閃爍；當(dāng)單片機(jī)輸出的是高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止報(bào)警，指示燈熄滅。

3 程序流程設(shè)計(jì)與仿真分析

3.1 程序流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)酒精檢測系統(tǒng)的程序流程為：

先進(jìn)行程序初始化，在程序初始化完成之后，對傳感器進(jìn)行預(yù)熱。傳感器必須先預(yù)熱，因?yàn)?MQ-3型半導(dǎo)體電阻式酒精傳感器在一段時間內(nèi)沒有通電，再次打開電源時，傳感器無法立即正常收集酒精濃度信息，需要一段時間進(jìn)行預(yù)熱。

然后系統(tǒng)將會進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，檢測空氣中的酒精濃度。酒精濃度信息經(jīng)ADC0832轉(zhuǎn)換處理后，由單片機(jī)進(jìn)行分析處理，在LCD1602液晶屏上顯示當(dāng)前酒精濃度，超過設(shè)置酒精濃度時啟動報(bào)警。

3.2 仿真分析

接下來開始對酒精檢測系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。濃度范圍為10～1000ppm時，MQ-3酒精傳感器可把檢測到的酒精濃度值轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過STC89C52單片機(jī)處理并將濃度通過LCD1602顯示出來。在仿真模擬酒精監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，可以通過滑動變阻器電路改變輸入值與設(shè)定閾值對比，若檢測值大于設(shè)定值時，則報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警。

其仿真結(jié)果如圖1所示。在該仿真中將閾值設(shè)置為10%，檢測到酒精濃度為14%，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲，D2燈開始閃爍。

通過對該酒精檢測系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可以看出：本文所設(shè)計(jì)的酒精檢測系統(tǒng)在理論上是可以實(shí)現(xiàn)其報(bào)警功能的，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

4 酒精檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

接下來對所設(shè)計(jì)的酒精檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，觀察其能滿足正常使用的要求。

購買所需要的元器件，焊制出如圖2所示的酒精檢測儀。設(shè)置其酒精濃度報(bào)警閾值為10%，然后打開一瓶酒，將酒瓶靠近酒精檢測儀，酒精檢測儀檢測到空氣中的酒精濃度為14%，大于10%，蜂鳴器開始報(bào)警，指示燈開始閃爍。

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)空氣中的酒精濃度超過所設(shè)定的閾值時，酒精檢測儀會進(jìn)行聲光報(bào)警；當(dāng)空氣中的酒精慢慢揮發(fā)低于10%后，報(bào)警結(jié)束。說明本文所設(shè)計(jì)的酒精檢測系統(tǒng)能夠滿足使用的要求。

5 結(jié)論

（1）通過分析酒精檢測系統(tǒng)的工作原理，對其總體結(jié)構(gòu)與內(nèi)部電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了一個能夠滿足使用要求的酒精檢測儀。

（2）對酒精檢測系統(tǒng)進(jìn)行編程與仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)檢測到酒精濃度超過所設(shè)定的閾值時，會發(fā)生報(bào)警的現(xiàn)象，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的酒精檢測系統(tǒng)在理論上的正確性。

（3）對所設(shè)計(jì)的酒精檢測儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，當(dāng)空氣中酒精濃度超標(biāo)時，酒精檢測儀會發(fā)出聲光報(bào)警，說明本文所設(shè)計(jì)的酒精檢測儀具有使用價(jià)值，能夠用于鐵路工作人員上崗前的酒精濃度檢測。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：鄒夢麒（1992-），男，碩士，學(xué)習(xí)動車組機(jī)械師。