0 引言

    在食品工業(yè)、釀酒行業(yè),、石化和工礦企業(yè),、環(huán)境檢測(cè)、公安交通管理,、社會(huì)公用事業(yè)等一些國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人們工作生活的領(lǐng)域和場(chǎng)合中,，常常需要檢測(cè)特定環(huán)境中酒精氣體的濃度，以確保工廠企業(yè)環(huán)境安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全^[1-4],。如監(jiān)控酒精生產(chǎn)車間和石化廠的酒精濃度，可以避免工廠起火和爆炸事故的發(fā)生,；監(jiān)測(cè)工礦企業(yè)場(chǎng)地的酒精濃度,，能避免工作人員出現(xiàn)酒精中毒等惡性事故；檢測(cè)司機(jī)體內(nèi)酒精含量,，可以防止駕駛?cè)藛T酒后駕車,，減少惡性交通事故的發(fā)生。因此,，研制酒精氣體濃度檢測(cè)儀具有十分廣闊的現(xiàn)實(shí)和潛在的市場(chǎng)需求,，并具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的酒精氣體檢測(cè)儀因傳感器性能,、電路設(shè)計(jì),、數(shù)據(jù)處理算法等原因，存在著氣體選擇性不高,、抗干擾性能差,、智能化程度低、儀器操作復(fù)雜,、無法實(shí)時(shí)保存和調(diào)看數(shù)據(jù)等突出問題^[3-4],。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)和研制了一種無線智能酒精濃度探測(cè)儀,，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)酒精檢測(cè)儀器的缺點(diǎn)和不足,。

1 系統(tǒng)總體方案

    該酒精濃度探測(cè)儀由發(fā)送端和接收端兩部分組成，其原理框圖分別如圖1和圖2所示,。發(fā)送端主要包括酒精濃度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換電路,、STC90C52RC單片機(jī)、濃度閾值設(shè)置與聲音報(bào)警電路,、語(yǔ)音播報(bào)電路,、LCD顯示電路和無線收發(fā)電路六部分；接收端由無線收發(fā)電路,、STC90C52RC單片機(jī),、數(shù)據(jù)接口通信電路和上位計(jì)算機(jī)組成,。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路與A/D轉(zhuǎn)換電路

    TGS2620為日本費(fèi)加羅(FIGARO)公司生產(chǎn)的一款可以探測(cè)氣體中酒精濃度的半導(dǎo)體氣體傳感器，具有靈敏度高,、功耗低,、壽命長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)^[5-6],。其電路連接如圖3所示,，其中，R_H為加熱器電阻,，室溫下時(shí)為83±8 Ω,；R_S為傳感器電阻，其阻值和還原性氣體濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

    通過檢測(cè)V_RL就可以確定出待測(cè)氣體濃度C,。

    電路中運(yùn)放OP07接成電壓跟隨器形式,，對(duì)傳感器和后級(jí)電路進(jìn)行隔離，減小電源波動(dòng)和外界因素對(duì)采樣數(shù)據(jù)的影響,。ICL7660是MAXIM公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器,，作用是將+5 V電源變換成-5 V電源為OP07供電。其中,，C₁,、C₂采用漏電小、介質(zhì)損耗低的10 μF鉭電容,，以提高電源轉(zhuǎn)換效率,。TLC1549是TI公司生產(chǎn)的10位分辨率逐次逼近型ADC芯片，具有自動(dòng)采樣和保持,、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍,、抗噪聲干擾功能，在滿刻度時(shí)總誤差最大僅為±1 LSB,。

2.2 LCD顯示,、閾值設(shè)置與聲音報(bào)警電路

    16×2個(gè)字符液晶顯示模塊DM-162顯示報(bào)警閾值和酒精濃度值。為了減少單片機(jī)I/O口的使用數(shù)量和簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu),，采用間接控制(4位數(shù)據(jù)總線)方式,，接口電路如圖4上部分所示。初始化時(shí),，需寫入28H指令碼將8位總線轉(zhuǎn)為4位數(shù)據(jù)接口方式,。管腳BLA、BLK和VL分別是液晶背光源正極,、負(fù)極和顯示對(duì)比度調(diào)整端,，RS、E分別是寄存器選擇端,、讀/寫信號(hào)線和使能端,。

    酒精濃度閾值設(shè)置和聲音報(bào)警電路如圖4下部分所示,。當(dāng)設(shè)置鍵S1按下時(shí)，進(jìn)入閾值設(shè)置(初始閾值為500 ppm)界面,，再按下鍵S2或S3,，對(duì)閾值作增加或減小操作，步長(zhǎng)為20 ppm,。閾值設(shè)置好后寫入STC90C52RC單片機(jī)片內(nèi)5 KB EEPROM的第一扇區(qū)2000H和2001H地址中,，使系統(tǒng)重啟不必重新設(shè)置。若酒精濃度值大于閾值,，將P0.7口線置為低電平,，三極管8550驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲音報(bào)警。

2.3 語(yǔ)音播報(bào)電路

    采用華邦(Winbond)公司的ISD2560語(yǔ)音錄放集成芯片作酒精濃度值播放,，電路如圖5所示,。話筒采用差分形式接入到片內(nèi)前置放大器的MIC端和MIC REF端，以抵消噪聲和提高輸入共模抑制比,。揚(yáng)聲器接成雙端輸出形式,，輸出功率為單端用法時(shí)功率的4倍,。單片機(jī)的P2口,、P3.0和P3.1口線分別與地址線A0~A9相連，用來設(shè)定ISD2560片內(nèi)480 KB EEPROM(地址為0H~257H)中存儲(chǔ)語(yǔ)音段的起始地址,，錄音和放音功能均從該起始地址開始,，錄音過程中信息段地址自動(dòng)增加。本系統(tǒng)在ISD2560中需錄入語(yǔ)音信息有：“當(dāng)前酒精濃度值為”,、“零”,、“一”、“二”,、“三”,、“四”、“五”,、“六”,、“七”、“八”,、“九”,、“十”、“百”,、“千”,、“點(diǎn)”、“ppm(濃度單位)”,。由于ISD2560的語(yǔ)音錄放時(shí)間為60 s,，按每秒3個(gè)漢字計(jì)算,，則可錄放180個(gè)漢字，因此滿足播報(bào)要求,。此外,，通過P3.0、P3.1和P2.0~P2.6口線可以配置ISD2560的操作模式^[7-8](地址為300H~3FFH),。P3.4~P3.6口線分別用來控制語(yǔ)音芯片的片選,、芯片的開關(guān)、錄音/放音模式選擇,。P3.2口用來判斷芯片的存儲(chǔ)空間是否已經(jīng)填滿或者信息存儲(chǔ)是否溢出,。由于錄音時(shí)在每個(gè)信息段結(jié)尾處自動(dòng)插入標(biāo)志，當(dāng)放音遇到該標(biāo)志時(shí)產(chǎn)生寬約為12.5 ms的負(fù)脈沖,。用P3.3口檢測(cè)到此脈沖的上升沿后才播放另一段錄音,，避免語(yǔ)音播放不連續(xù)。

2.4 無線收發(fā)電路

    系統(tǒng)采用NORDIC公司生產(chǎn)的工作于2.4~2.483 5 GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片nRF24L01完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)工作,，nRF24L01的最高傳輸速率為2 Mb/s,，電路如圖6所示。穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3 V將5 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V給nRF24L01供電,。nRF24L01與單片機(jī)接口為四線SPI方式,，CSN、SCK,、MOSI,、MISO管腳分別是SPI的片選使能線、時(shí)鐘線,、數(shù)據(jù)輸入線,、數(shù)據(jù)輸出線。IRQ為中斷信號(hào)線(低電平有效),，接至單片機(jī)的外部中斷管腳,，單片機(jī)主要是通過該接口線與nRF24L01進(jìn)行通信并判斷數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成。CE為芯片的RX/TX模式選擇線,。IREF為參考電流輸入端,，通過22 kΩ電阻接地。管腳ANT1和ANT2給天線提供平衡的RF輸出,，通過后接的簡(jiǎn)單射頻網(wǎng)絡(luò)匹配電路獲得單端50 Ω的阻抗輸出,。網(wǎng)絡(luò)匹配電路在發(fā)送模式時(shí)阻止諧波，在接收模式時(shí)克制本地振蕩漏出,。VDD_PA管腳輸出1.8 V電壓,，給片內(nèi)功率放大器提供電源。

2.5 數(shù)據(jù)接口通信電路

    接收端的計(jì)算機(jī)與單片機(jī)間的通信由串行USB接口集成電路CH340T完成，如圖7所示,。CH340T支持USB1.1或者USB2.0/USB3.0通信,，具有仿真接口，并且可以升級(jí)外圍串口設(shè)備,，支持常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào),，支持IRDA規(guī)范的SIR紅外通信，提供RS232,、RS485,、RS422接口等功能。CH340T內(nèi)置有獨(dú)立的收發(fā)緩沖區(qū),，支持通信波特率50 b/s～2 Mb/s的單工,、半雙工、全雙工等異步串行通信,。圖7中,，在CH340T芯片的發(fā)送腳TXD上反接一個(gè)二極管1N4001，防止該引腳將電流倒灌到單片機(jī),；在接收引腳RXD上加一個(gè)300 Ω的限流電阻來防止單片機(jī)對(duì)CH340T倒灌電流,；從而避免電流倒灌導(dǎo)致不需要供電工作的另一方芯片繼續(xù)工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    下位機(jī)的程序開發(fā)和調(diào)試是在Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的,，包括發(fā)送端和接收端的軟件設(shè)計(jì),。

3.1.1 發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)

    發(fā)送端軟件流程如圖8所示。單片機(jī)上電后進(jìn)行系統(tǒng)初始化,，完成單片機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)變量的初始化以及TLC1549,、DM-162,、ISD2560和nRF24L01等外部設(shè)備的初始設(shè)置,；然后延時(shí)大約5 min，預(yù)熱傳感器TGS2620,，保證傳感器工作正常,；程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài),。若報(bào)警閾值設(shè)置鍵按下,，進(jìn)入報(bào)警限設(shè)置模式；若錄音鍵按下,，進(jìn)入錄音模式,；然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換獲取采樣數(shù)據(jù)，作濾波處理,、標(biāo)度變換和系統(tǒng)誤差校正后得到被測(cè)酒精濃度值,。該值與報(bào)警閾值比較，若結(jié)果是“大于”或“等于”，啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲程序,，作聲音報(bào)警,，提示酒精濃度超標(biāo)；接著該值在DM-162液晶模塊上實(shí)時(shí)顯示,；最后判斷放音鍵是否按下,。若按下則根據(jù)酒精濃度值查找ISD2560中對(duì)應(yīng)語(yǔ)音信息的存儲(chǔ)地址開始放音；放音結(jié)束后,，該值由nRF24L01發(fā)送程序發(fā)送到接收端,；待發(fā)送完成后，采集,、顯示和發(fā)送新一輪的酒精濃度數(shù)據(jù),。

    發(fā)送端軟件應(yīng)用了防脈沖干擾平均濾波法^[9]對(duì)A/D采樣數(shù)據(jù)作預(yù)處理。其原理是：連續(xù)采樣K次,，然后對(duì)這K個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,，去除其中的最大值和最小值，計(jì)算剩下的K-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為采樣有效值,。該方法融合了中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn),，既可去掉脈動(dòng)性質(zhì)的干擾，又可消除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾引起的采樣值偏差,。為加快計(jì)算速度,，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)K=10。

    為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,，軟件中采用分段線性插值法^[10-11]作標(biāo)度變換,。過程如下：(1)按傳感器TGS2620的標(biāo)定曲線，將該曲線進(jìn)行非等距分段(曲率變化大(小)時(shí),，樣點(diǎn)距離取小(大)),，選取各分段點(diǎn)坐標(biāo)(V_RLi，C_i)(i=0,，1,，…，M),，其中：V_RLi和C_i分別為不同樣點(diǎn)時(shí)傳感器輸出電壓值和對(duì)應(yīng)濃度值,；(2)計(jì)算相鄰樣點(diǎn)間的擬合直線斜率k_i=(C_i+1-C_i)/(V_RLi+1-V_RLi)(i=0，1,，…,，M-1)；(3)將M組坐標(biāo)數(shù)據(jù)(V_RLi,，C_i)和對(duì)應(yīng)斜率k_i存儲(chǔ)于單片機(jī)片內(nèi)EEPROM的第二扇區(qū)(地址為2200H~23FFH)中,；(4)每采集到一個(gè)電壓值V_RL即查詢EEPROM表,，找出V_RL所在區(qū)間(V_RLi，C_i)~(V_RLi+1,，C_i+1),，取出該區(qū)間(V_RLi，C_i)和k_i數(shù)據(jù),，用線性插值公式C=C_i+k_i(V_RL-V_RLi)計(jì)算出當(dāng)前酒精濃度值C,。

    將采集到的N個(gè)樣本數(shù)據(jù)(x_i，y_i)代入式(5)中即得到系數(shù)a,、b的值,，并存入單片機(jī)的內(nèi)存單元中。系統(tǒng)測(cè)量時(shí),，將標(biāo)度變換后的酒精濃度測(cè)量值x代入誤差校正方程y=ax+b中,，即可得到校正后的酒精濃度值y，從而達(dá)到消除系統(tǒng)誤差的目的,。

3.1.2 接收端軟件設(shè)計(jì)

    接收端單片機(jī)的軟件流程如圖9所示,。接收端開機(jī)上電后，程序初始化設(shè)置nRF24L01和串口,，然后進(jìn)入監(jiān)控場(chǎng)景,。當(dāng)nRF24L01接收到一幀完整的酒精濃度數(shù)據(jù)后，立即通過串口發(fā)送到上位機(jī),。接收端單片機(jī)與PC之間數(shù)據(jù)交互采用異步通信模式,。獨(dú)立波特率，串口協(xié)議設(shè)置為：波特率9 600 b/s,，8 bit數(shù)據(jù)位,，1 bit停止位，無校驗(yàn)位,。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)用戶界面采用通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Microsoft Visual Basic 6.0開發(fā),，實(shí)現(xiàn)酒精濃度數(shù)據(jù)的接收、顯示和保存,。軟件用到了串行通信控件MSComm,。MSComm控件是Microsoft公司提供的Windows下串行通信編程的ActiveX控件,，通過對(duì)此控件的屬性和事件進(jìn)行相應(yīng)的編程操作,，即可輕松地實(shí)現(xiàn)串行通信。串口通信協(xié)議與接收端完全相同,。上位機(jī)軟件的程序流程如圖10所示,。

4 系統(tǒng)測(cè)試

    為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的測(cè)量性能，采用無水乙醇和純凈水按照一定體積比配制標(biāo)準(zhǔn)的酒精溶液作為被測(cè)量對(duì)象,，測(cè)試結(jié)果如表1所示,。其中：?jiǎn)挝籶pm=μg/mL表示1 mL酒精溶液中含酒精的質(zhì)量。由測(cè)量結(jié)果可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)覆蓋傳感器的量程,，測(cè)試最大相對(duì)誤差小于±2%,，優(yōu)于同類設(shè)計(jì)產(chǎn)品^[3-5]。

    為了獲得本儀器發(fā)送端與接收端的最大無錯(cuò)誤率的通信距離,，在室外進(jìn)行了nRF24L01隨距離的錯(cuò)誤率(臨界區(qū)間)測(cè)試實(shí)驗(yàn),，結(jié)果如表2所示。其中,，每米的錯(cuò)誤率是10次試驗(yàn)后計(jì)算得到的平均值,。可見,，nRF24L01的傳輸距離可達(dá)到100 m,，略高于RFID、ZIGBEE和藍(lán)牙等無線通信技術(shù)^[12],。

5 主要技術(shù)指標(biāo)

    本儀器主要技術(shù)指標(biāo)如下：(1)測(cè)量范圍：50~5 000 ppm,；(2)靈敏度(傳感器電阻變化率)：0.3~0.5；(3)測(cè)量精度：≤±2%,；(4)傳輸距離：≤100 m,；(5)工作電源：DC+5 V；(6)工作環(huán)境溫度：-40 ℃~+70 ℃,；(7)工作環(huán)境相對(duì)濕度：0~85％RH,。

6 結(jié)束語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)研制了一種基于STC90C52RC單片機(jī)、TGS2620酒精傳感器和nRF24L01無線通信芯片的酒精濃度探測(cè)儀,。該儀器現(xiàn)已投入到成都市某小型釀酒廠酒池的實(shí)際生產(chǎn)中?，F(xiàn)場(chǎng)工作情況表明：系統(tǒng)運(yùn)行正常，工作可靠,；系統(tǒng)具有氣體選擇性和靈敏度高,、穩(wěn)定性好、智能化程度高,、通信距離遠(yuǎn),、功耗低、抗工業(yè)干擾能力強(qiáng),、性價(jià)比優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),。該儀器可以應(yīng)用于食品加工行業(yè)、工礦企業(yè),、石油和化學(xué)工業(yè),、環(huán)境檢測(cè)與保護(hù)、社會(huì)公用事業(yè),、高空作業(yè)人員,、公安交通管理（如酒后駕車,、交通警察執(zhí)法）等需要現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)或無線遙測(cè)酒精氣體濃度的場(chǎng)合中，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊,、推廣價(jià)值較高,。

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作者信息:

胡仕兵,，陳子為

(成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院,，四川 成都610225)