馮亞軍

（忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，忻州 034000）

設(shè)計(jì)酒精檢測(cè)儀的目的是減少因酒駕而造成的交通事故，從而保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。酒精測(cè)試儀還可以用于酒廠、化妝品廠、酒精消毒廠等場(chǎng)所，以測(cè)試場(chǎng)所的酒精濃度，從而避免火災(zāi)事故的發(fā)生[1]。多數(shù)國(guó)家檢測(cè)酒駕的方式都是用帶有呼吸裝置的酒精檢測(cè)儀檢測(cè)。按照我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)，現(xiàn)在有5種類(lèi)型的酒精測(cè)試設(shè)備，分別為半導(dǎo)體型、燃料電池型、氣體色譜型、比色型和紅外線型。其中，半導(dǎo)體型和燃料電池型設(shè)備的成本較低，被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。燃料電池型設(shè)備是一種環(huán)保型的產(chǎn)品，能夠把氣體直接轉(zhuǎn)化成電能，不會(huì)對(duì)環(huán)境、氣候造成污染。正因?yàn)樗沫h(huán)保功能，世界上各國(guó)都在積極研究它的應(yīng)用。燃料型電池的應(yīng)用范圍也很廣，如酒精傳感器，但是它對(duì)技術(shù)方面要求相對(duì)較高，生產(chǎn)成本也較高，制作過(guò)程難度較大，因此沒(méi)有被廣泛應(yīng)用[2]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

微控制器和傳感器功耗低、體積小、穩(wěn)定性高，在智能儀器中具有很大的應(yīng)用價(jià)值，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在本設(shè)計(jì)中選擇單片機(jī)作為系統(tǒng)控制中心。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，因?yàn)闇y(cè)試是由將物理量轉(zhuǎn)換為電能的傳感器進(jìn)行的，傳感器輸出的只是一個(gè)穩(wěn)定的電壓值，所以輸出電壓可以通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行處理和分析，最后通過(guò)液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示預(yù)設(shè)的閾值和測(cè)試結(jié)果[3]。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將測(cè)試結(jié)果與預(yù)定義的閾值對(duì)齊，如果超出預(yù)定范圍就會(huì)觸發(fā)聲音報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)紅色發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈閃爍。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

1.2 單片機(jī)的選取

單片機(jī)是一種采用先進(jìn)技術(shù)的微芯片，具有超薄、抗干擾能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)等諸多特點(diǎn)。目前，微控制器的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，因此了解和掌握微控制器是非常重要的[4]。MCS-51單片機(jī)以其低功耗、高性?xún)r(jià)比、反應(yīng)速度快和強(qiáng)大的功能在眾多單片機(jī)型號(hào)中脫穎而出。本系統(tǒng)采用升級(jí)版51 MCU-89C52作為通用控制核心，集成了如512 Bytes的RAM和原始基礎(chǔ)上的時(shí)鐘輸出等許多功能，而且其指令代碼可以直接應(yīng)用于其他單片機(jī)[5]。

1.3 傳感器的選取

傳感器是氣體檢測(cè)系統(tǒng)的核心，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)決定了最終成品的質(zhì)量，電路如圖2所示。因此，傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求分層過(guò)濾、嚴(yán)格篩選。由于該測(cè)試儀主要測(cè)量人呼氣時(shí)的酒精濃度，因此使用了氣體敏感傳感器。SQ-3傳感器通常由微型AL2O3陶瓷管和敏感材料（如二氧化錫、測(cè)量電極和加熱元件）組成，傳感器的內(nèi)部回路通常由加熱回路和信號(hào)輸出回路組成。測(cè)量時(shí)，酒精氣體被室內(nèi)加熱器加熱并燃燒，有助于提升SnO2的導(dǎo)電性，從而降低傳感器的內(nèi)阻，并逐漸增大Vout值。傳感器的最終輸出電壓為0～5 V。在一定范圍內(nèi)，酒精濃度越高，輸出電壓越大。

1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

隨著集成電路的快速發(fā)展，采用新材料和新設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器不斷出現(xiàn)。由于各種不同的檢測(cè)和控制需求以及不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，市場(chǎng)上逐漸出現(xiàn)了各種各樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通常有3種類(lèi)型：第一，內(nèi)置雙型A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點(diǎn)是精度更高、抗干擾能力好，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度慢，不適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)合；第二，V/F型A/D轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)㈦妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)不符合要求；第三，連續(xù)近似A/D轉(zhuǎn)換器，雖然不能與雙積分相比，但轉(zhuǎn)換速度比雙積分快得多，更符合設(shè)計(jì)的需要[6]。連續(xù)比較A/D轉(zhuǎn)換器與這3種轉(zhuǎn)換器的區(qū)別在于性?xún)r(jià)比高，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備。所選設(shè)計(jì)為ADC0809，屬于上述第三類(lèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖3所示。

1.5 顯示屏

在很多款式的顯示模塊中，經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比選擇，由于LCD1602功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，最終決定將LCD1602作為該酒精測(cè)試儀的輸出。LCD1602作為一種字符液晶顯示模塊，可以同時(shí)顯示32個(gè)字符，在市場(chǎng)上比較常見(jiàn)。在單片機(jī)應(yīng)用中，通常采用光管、數(shù)碼管、液晶屏這3種輸出方式，其中光管和數(shù)碼管是比較常見(jiàn)的輸出模式，軟硬件比較簡(jiǎn)單[7]。

2 硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)酒精傳感器檢測(cè)到要測(cè)量的氣體時(shí)，酒精傳感器的輸出電壓會(huì)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換后，信號(hào)通過(guò)算法處理和分析傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將結(jié)果與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并將結(jié)果顯示在顯示屏上。系統(tǒng)存儲(chǔ)電路，如圖4所示。

2.1 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)

為了使裝置使用更加方便，本設(shè)計(jì)選用按鍵接低電平的方法來(lái)讀取按鍵信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)處于正常狀態(tài)時(shí)，該端口為高電平。使用過(guò)程中，單片機(jī)會(huì)持續(xù)查詢(xún)端口狀態(tài)，直到有按鍵按下時(shí)該端口跳變?yōu)榈碗娖?，然后單片機(jī)調(diào)用相關(guān)程序[8]。

由于本設(shè)計(jì)只有5個(gè)按鍵，而且其中1個(gè)是復(fù)位按鍵，1個(gè)為啟動(dòng)按鍵，實(shí)際上只有3個(gè)按鍵參與了預(yù)設(shè)閾值的互動(dòng)。因此，這里選取獨(dú)立式鍵盤(pán)。

獨(dú)立鍵盤(pán)通過(guò)微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）來(lái)讀取I/O口的電平，從而確認(rèn)是否有按鍵操作。通常是將啟動(dòng)按鈕的一端接地，另一端與I/O口連接。如圖5所示，在初始化狀態(tài)時(shí)，該I/O口是一個(gè)高電平。沒(méi)有按鍵按下時(shí)，此I/O口將保持在較高的電平；當(dāng)按下按鍵時(shí)，此I/O口和地面短接會(huì)迫使端口跳轉(zhuǎn)到一個(gè)較低的電平。按鍵釋放后，單片機(jī)內(nèi)部的上拉電阻會(huì)使I/O口變回高水平。因此，可以此設(shè)計(jì)一個(gè)程序來(lái)查找I/O口的電平狀態(tài)，使單片機(jī)可以識(shí)別是否按下了按鍵。

2.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

目前，發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它由含有鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）以及氮（N）等的化合物組成。復(fù)合空穴釋放的能量會(huì)發(fā)光。在本設(shè)計(jì)中，選擇兩個(gè)彩色LED來(lái)顯示酒精濃度是否超標(biāo)，設(shè)計(jì)圖如圖6所示。當(dāng)酒精濃度超標(biāo)時(shí)，LEDR閃爍，LEDG熄滅；正常時(shí)，LEDG閃爍。

蜂鳴器是一種以感應(yīng)直流電壓為電源的電子發(fā)聲裝置，廣泛應(yīng)用于鬧鐘、音響、電腦、打印機(jī)以及復(fù)印工控設(shè)備等電子產(chǎn)品的音響或報(bào)警裝置。在電路圖中，蜂鳴器通常用字母“H”表示。根據(jù)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，可分為電磁式和壓電式。其中，壓電式蜂鳴器通常由振蕩器、壓電式蜂鳴器、阻抗匹配器和諧振箱等組成。振蕩器接通電源后開(kāi)始振動(dòng)并輸出更高頻率的信號(hào)，最終壓電蜂鳴器被阻抗矩陣制動(dòng)。當(dāng)壓電薄膜和諧振盒的頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧振和發(fā)聲。與壓電型蜂鳴器不同，電磁蜂鳴器除了振蕩器和振動(dòng)膜片外，還包含磁鐵和電磁線圈等部件。它的啟動(dòng)程序與壓電式相同，都是由振蕩器產(chǎn)生電流，但是電磁蜂鳴器是利用交變磁場(chǎng)使振膜輕微振動(dòng)，從而使蜂鳴器周期性發(fā)聲[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)可以分為硬件電路和軟件編寫(xiě)兩部分。其中：硬件部分包括單片機(jī)、傳感器、液晶屏、按鍵、蜂鳴器以及LED燈等電路設(shè)計(jì)；軟件部分包括相關(guān)程序的編寫(xiě)和調(diào)試。設(shè)計(jì)要求和功能要求通過(guò)STC89C2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)MQ-3氣體傳感器檢測(cè)酒精濃度值，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)電路處理轉(zhuǎn)換成與其對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)傳送到單片機(jī)系統(tǒng)中，然后進(jìn)入模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)的處理由STC89C52單片機(jī)及外圍電路進(jìn)行操作。信號(hào)處理完成后，LCD1602液晶顯示屏?xí)丫凭珴舛鹊臏y(cè)量值顯示出來(lái)。當(dāng)酒精濃度值超過(guò)酒駕的閾值時(shí)，LED燈就會(huì)亮起；當(dāng)酒精濃度值超過(guò)醉駕的閾值時(shí)，LED燈亮起并且蜂鳴器鳴叫。此設(shè)計(jì)產(chǎn)品擁有操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏、檢測(cè)準(zhǔn)確、可以調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的實(shí)用價(jià)值。