摘  要： 主要介紹了酒精濃度檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),，可用于檢測(cè)司機(jī)是否酒后駕車(chē),。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，采用MQ-3酒精傳感器作為探測(cè)器件,，AD轉(zhuǎn)換芯片采用12位的ADS7886,，其精度高，可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的酒精濃度檢測(cè),。

　　關(guān)鍵詞： 單片機(jī),；MQ-3酒精傳感器；ADS7886

0 引言

　　近年來(lái),，中國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,，人民生活水平不斷提高，私家車(chē)早已走進(jìn)了千家萬(wàn)戶,，給人們生活帶來(lái)了極大的便利,。但是文明進(jìn)步的背后，酒后駕駛問(wèn)題也日趨嚴(yán)重,。國(guó)內(nèi)外研究表明,，飲酒后駕駛?cè)说挠|覺(jué)機(jī)能普遍下降，表現(xiàn)為觸覺(jué)遲鈍和反應(yīng)遲鈍,，駕駛?cè)嗽谛熊?chē)過(guò)程中手,、腳不能正常地控制方向盤(pán)、油門(mén)和剎車(chē),；其視覺(jué)機(jī)能也會(huì)有一定程度的下降,，視像模糊導(dǎo)致駕駛?cè)瞬荒苎杆賹?duì)交通信號(hào)、標(biāo)志做出反應(yīng)和判斷[1-2],。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)表明,，酒后駕車(chē)發(fā)生事故的概率高達(dá)27%[3]。通過(guò)酒精濃度檢測(cè)儀對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行酒精測(cè)試，可判斷其醉酒程度,，能夠有效遏制酒后駕車(chē)和醉酒駕車(chē),，減少道路交通事故發(fā)生。

　　本文基于現(xiàn)狀設(shè)計(jì)的酒精濃度檢測(cè)儀,，與傳統(tǒng)酒精檢測(cè)儀相比,，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，便于攜帶,；（2）采用12位AD轉(zhuǎn)換芯片,，精度高；（3）一個(gè)周期內(nèi)取樣20次,，并在軟件程序中對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,，誤差小,。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 探測(cè)參數(shù)

　　本系統(tǒng)以酒精濃度作為主要的探測(cè)參數(shù),。通過(guò)檢測(cè)酒精信號(hào)采集電路的電壓值，并對(duì)數(shù)據(jù)做一系列的分析處理,，就可以得到被檢測(cè)者呼氣中的酒精濃度值,。

　　1.2 方案設(shè)計(jì)

　　圖1是本系統(tǒng)的硬件流程圖，其包括信號(hào)采集模塊,、信號(hào)處理模塊,、控制處理模塊和人機(jī)通道。

　　1.2.1 信號(hào)采集模塊

　　MQ-3酒精傳感器對(duì)于10 ppm~1 000 ppm范圍內(nèi)的酒精信號(hào)都有高度的敏感性,，此外它還有以下幾個(gè)特點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間短,、恢復(fù)快；使用壽命長(zhǎng),，測(cè)得數(shù)值較穩(wěn)定,；驅(qū)動(dòng)回路簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用,。

　　MQ-3酒精傳感器輸出回路如圖2所示,。

　　MQ-3具有6只針狀引腳，其中4只用于信號(hào)取出,，另外2只則用于提供加熱電流,。圖2中的1、3,、4,、6四腳用于信號(hào)取出，2,、5端之間是加熱電阻絲,。同時(shí)在5腳后需要再接一個(gè)適當(dāng)值的電阻，起到限流的作用。MQ-3上的微型A2O3陶瓷管,、SnO2敏感層材料遇到酒精分子時(shí),，3、4兩端之間的敏感體電阻會(huì)發(fā)生變化,，導(dǎo)致輸出的電壓值發(fā)生改變,。由于這種變化是可逆的，因此酒精傳感器在實(shí)際應(yīng)用中能夠重復(fù)使用,，多次測(cè)量,。如果用5 V的電源供電，理論上MQ-3傳感器輸出電壓值應(yīng)該是0~5 V,，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)得在無(wú)酒精的環(huán)境中傳感器輸出的電壓值并不為0,。這就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行零點(diǎn)設(shè)置，為方便計(jì)算,，本系統(tǒng)選擇以數(shù)字電壓值1 000作為系統(tǒng)檢測(cè)零點(diǎn),。當(dāng)?shù)玫降臄?shù)字電壓值小于1 000時(shí)，液晶不能顯示酒精濃度值,。

　　1.2.2 信號(hào)處理模塊

　　酒精傳感器將酒精濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào),，模擬電壓信號(hào)再分別通過(guò)濾波電路，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后,，轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)交由控制處理電路分析處理,。圖3為信號(hào)處理模塊的流程圖。

　?。?）濾波電路

　　濾波電路用于除去輸出電壓信號(hào)中可能夾雜的高頻干擾信號(hào),。

　　（2）AD轉(zhuǎn)換電路

　　傳感器輸出的電壓信號(hào)通過(guò)濾波電路后,，得到的是模擬電壓信號(hào),，為了便于單片機(jī)數(shù)據(jù)處理需要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，因而其后連接了AD轉(zhuǎn)換電路,。在AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中,，選用了12位的ADS7886芯片，具有高精度,、低功耗,、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、接口簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[4],，同時(shí)價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,。ADS7886與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

　　STC89C52單片機(jī)與ADS7886配套使用時(shí),，其中的VCC接5 V電壓,，圖中電容是旁路電容,，用于去除VCC中夾雜的高頻信號(hào)。SCLK端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的串行時(shí)鐘,，故需要連接單片機(jī)時(shí)鐘,；CS端口是片選信號(hào)。VIN端口用于輸入信號(hào),，SDO端口用于接收數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù),。ADS7886一邊進(jìn)行轉(zhuǎn)換一邊進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。這些數(shù)據(jù)包含前面4個(gè)0和隨后的12位數(shù),。

　?。?）控制處理模塊

　　控制處理模塊主要指單片機(jī)最小系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的STC89C52,，它是一種低功耗,、高性能CMOS 8位微控制器，且具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器,，此外它還具有程序無(wú)法解密,、價(jià)格低、功耗低,、運(yùn)算高速,、高可靠強(qiáng)性、抗靜電和抗干擾能力強(qiáng),、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。STC89C52在智能化電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有著極其廣泛的應(yīng)用,。單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖5所示,。

　　1.2.3 人機(jī)通道

　　本系統(tǒng)中人機(jī)通道主要有按鍵檢測(cè)模塊、LCD液晶顯示模塊和聲光報(bào)警模塊,。

　?。?）按鍵檢測(cè)模塊

　　測(cè)量鍵：只有當(dāng)測(cè)量按鍵被按下后，系統(tǒng)才開(kāi)始采集酒精濃度信號(hào),，并進(jìn)行一系列的分析處理操作,。

　　復(fù)位鍵：在一次測(cè)量結(jié)束后，需要復(fù)位操作后再次進(jìn)行測(cè)量,，否則可能引起較大誤差,。

　　RL分壓電阻：用于調(diào)零。當(dāng)設(shè)計(jì)的電路板被移動(dòng)后,，或者當(dāng)MQ-3酒精傳感器處于干擾較大的環(huán)境時(shí),，需要用螺絲刀調(diào)節(jié)RL分壓，當(dāng)調(diào)至液晶上AD顯示1 000左右才可進(jìn)行酒精濃度的測(cè)量操作,。

　?。?）LCD液晶顯示模塊

　　LCD1602液晶功耗小,、體積小、價(jià)格低廉,，且能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,，故選擇使用LCD1602作為本設(shè)計(jì)的顯示模塊。此外,，LCD1602還具有對(duì)比度可調(diào),、內(nèi)含復(fù)位電路、提供各種控制指令的特點(diǎn),。

　　本設(shè)計(jì)中LCD1602液晶的顯示屏需要顯示AD實(shí)時(shí)采樣數(shù)字電壓值和酒精濃度數(shù)值大小,。

　　（3）聲光報(bào)警模塊

　　當(dāng)檢測(cè)到的酒精濃度超過(guò)200 mg/L時(shí),，黃色指示燈D2亮起,，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)在液晶屏上顯示當(dāng)前被測(cè)酒精濃度,；當(dāng)檢測(cè)到的酒精濃度超過(guò)800 mg/L時(shí),，紅色指示燈D3亮起，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音,，同時(shí)在液晶屏上顯示當(dāng)前被測(cè)酒精濃度,。在檢測(cè)到的酒精濃度小于200 mg/L時(shí)，液晶屏上顯示酒精濃度數(shù)值,，報(bào)警指示燈不亮,，蜂鳴器不鳴叫。聲光報(bào)警模塊如下圖6所示,。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)首先將得到的數(shù)字電壓信號(hào)通過(guò)軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理,，即在一個(gè)周期內(nèi)采樣取值20次，并用中間的10次采樣值取平均值后作為此次酒精信號(hào)采樣的數(shù)字電壓值,。再通過(guò)MQ-3敏感體電阻與分壓電阻RL電壓之比的變化量來(lái)計(jì)算酒精濃度變化量,。系統(tǒng)將分析處理后的數(shù)據(jù)換算成酒精濃度值，然后再顯示到LCD1602液晶上,。如果測(cè)得的數(shù)據(jù)超過(guò)所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值,，聲光報(bào)警模塊開(kāi)始工作。同時(shí)也可以通過(guò)人為按鍵操作來(lái)控制人機(jī)互動(dòng)功能,。軟件流程圖如圖7所示,。

3 系統(tǒng)整體調(diào)試

　　首先把傳感器置于無(wú)酒精的環(huán)境下，調(diào)節(jié)使得LCD1602顯示的濃度數(shù)值為0.00 mg/L,。在MQ-3可探測(cè)到的酒精濃度范圍下,，即10 ppm~1 000 ppm范圍內(nèi)，配制3種不同濃度的酒精液體,，并預(yù)先計(jì)算好它們的濃度值,。然后分別用棉花棒蘸取酒精液體后放置于傳感器上方,，若液晶顯示的數(shù)值分別與配制的酒精濃度值相近，則調(diào)試成功,；如果液晶顯示值與配制的濃度值有較大偏差,，則調(diào)試不成功，需進(jìn)一步查找原因,。表1給出了在100 mg/L,、250 mg/L和900 mg/L時(shí)測(cè)量得到的酒精濃度值?？梢园l(fā)現(xiàn),，本設(shè)計(jì)測(cè)量的酒精濃度誤差在2%以內(nèi)，如果進(jìn)一步優(yōu)化,，便可以實(shí)際應(yīng)用,。

4 結(jié)論

　　如果對(duì)本設(shè)計(jì)做一定程度的改進(jìn)，并將它與多種傳感器,、遠(yuǎn)程處理等技術(shù)進(jìn)行整合,，就能夠制成“酒精鑰匙”。開(kāi)車(chē)門(mén)之前,，駕駛?cè)诵枰聪麻_(kāi)門(mén)鍵,，待黃色準(zhǔn)備燈亮起，對(duì)著這個(gè)吹棒吹氣約2 s,。如果駕駛?cè)怂龅木凭禋鉁y(cè)試結(jié)果未超過(guò)法定允許的標(biāo)準(zhǔn)值,，綠色指示燈亮起，順利通過(guò)酒精檢測(cè),，車(chē)門(mén)打開(kāi),，可以上路；如果駕駛?cè)怂龅木凭禋鉁y(cè)試結(jié)果超過(guò)法定允許的標(biāo)準(zhǔn)值,，紅色指示燈亮起，系統(tǒng)將使引擎維持在靜止?fàn)顟B(tài)無(wú)法啟動(dòng),，這樣就有效地遏制了酒后駕駛,。相信隨著科技的發(fā)展，這種酒精檢測(cè)的技術(shù)將更廣泛地應(yīng)用于我們的生活,。

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