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。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|覺機(jī)能普遍下降，表現(xiàn)為觸覺遲鈍和反應(yīng)遲鈍，駕駛?cè)嗽谛熊囘^程中手、腳不能正常地控制方向盤、油門和剎車；其視覺機(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，酒后駕車發(fā)生事故的概率高達(dá)27%[3]。通過酒精濃度檢測(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和醉酒駕車，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)。

　?。?）AD轉(zhuǎn)換電路

　　傳感器輸出的電壓信號(hào)通過濾波電路后，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。

　?。?）聲光報(bào)警模塊

　　當(dāng)檢測(cè)到的酒精濃度超過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)超過所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值，聲光報(bào)警模塊開始工作。同時(shí)也可以通過人為按鍵操作來(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”。開車門之前，駕駛?cè)诵枰聪麻_門鍵，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)果未超過法定允許的標(biāo)準(zhǔn)值，綠色指示燈亮起，順利通過酒精檢測(cè)，車門打開，可以上路；如果駕駛?cè)怂龅木凭禋鉁y(cè)試結(jié)果超過法定允許的標(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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