STM32單片機(jī)的酒精濃度探測(cè)儀設(shè)計(jì)※

秦 嶺

（西安鐵路局 西安電務(wù)器材廠 科研所，西安 710054）

引 言

酒后駕車是導(dǎo)致交通事故的一個(gè)重要原因，給人們的生活和生命安全帶來巨大的危害。為了防止機(jī)動(dòng)車輛駕駛?cè)藛T酒后駕車，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)對(duì)人體呼氣中酒精含量的檢查已日益受到重視。本系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有酒精傳感器恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)的問題，通過計(jì)算斜率成功地實(shí)現(xiàn)了快速酒精濃度檢測(cè)，縮短了檢測(cè)間隔時(shí)間，大大提升了酒精檢測(cè)的效率。

1 酒精濃度探測(cè)儀的整體結(jié)構(gòu)

酒精濃度探測(cè)儀由單片機(jī)、酒精傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、語音報(bào)警模塊、TFTLCD顯示模塊、通信模塊、功放模塊等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于語音報(bào)警模塊和TFTLCD顯示模塊對(duì)于單片機(jī)的處理速度和處理數(shù)據(jù)量要求高，再加上酒精檢測(cè)反應(yīng)速度較快，實(shí)時(shí)性較高，因此采用了ST公司的STM32系列的單片機(jī)作為主控端。ME3－C2H5OH電化學(xué)式氣敏元件具有功耗低、精度高、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)性優(yōu)異和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及其外圍接口的設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用低功耗高速工業(yè)級(jí)芯片STM32F103VET6。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex－M3內(nèi)核，STM32F103為“增強(qiáng)型”系列，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，具有512KB ROM、64KB RAM，普通I／O口為80個(gè)，具有8個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，3個(gè)SPI、2個(gè)I2C總線、3個(gè)UART、1個(gè)USB、1個(gè)CAN總線等通信端口。具有2個(gè)I2S音頻口、1μs的雙12位 ADC、4Mbps的 UART、18 Mbps的SPI、18MHz的I／O翻轉(zhuǎn)速度，內(nèi)部集成優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內(nèi)部RC振蕩器、內(nèi)嵌復(fù)位電路等，完全滿足本酒精濃度探測(cè)儀的設(shè)計(jì)需求。

圖1 酒精濃度探測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖

電源電路采用LM2596作為初級(jí)電壓轉(zhuǎn)換芯片，用來提供5V電壓給外圍模塊供電，采用AMS－3.3作為末級(jí)電壓轉(zhuǎn)換芯片，用來提供3.3V電壓給STM32供電。此芯片的輸出電流可以達(dá)到1A，輸入電壓調(diào)節(jié)率小于0.2%，負(fù)載調(diào)節(jié)率小于0.4%，輸出電壓穩(wěn)定。

看門狗電路采用美國(guó)IMP公司生產(chǎn)的系統(tǒng)μP監(jiān)控芯片IMP706，IMP706能在上電、掉電期間或手動(dòng)情況下產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，該器件內(nèi)含有1個(gè)1.6s的看門狗定時(shí)器和4.4V的電源電壓監(jiān)視器。另外，IMP706還有1個(gè)1.25V門限的電源故障報(bào)警電路，可用于檢測(cè)電池電壓和非5V的電源。

2.2 酒精傳感器

ME3－C2H5OH型酒精傳感器根據(jù)電化學(xué)原理工作，利用待測(cè)氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過程，待測(cè)氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過檢測(cè)電流的大小就可以確定待測(cè)氣體的濃度。ME3－C2H5OH傳感器檢測(cè)處理電路如圖2所示。對(duì)被測(cè)者呼出氣體中酒精濃度的反應(yīng)以采樣電阻R1來獲取采樣電壓，通過運(yùn)放負(fù)反饋放大電路，對(duì)采樣電壓進(jìn)行放大。電路中的RT是熱電阻，用來抵消溫度漂移，保證恒定的放大系數(shù)。放大后的電壓信號(hào)送入STM32的ADC中，對(duì)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后計(jì)算出酒精濃度的大小，從而判斷被測(cè)者是否飲酒。判斷結(jié)果通過語音芯片進(jìn)行語音提示，再通過LCD顯示濃度值。

圖2 酒精傳感器信號(hào)調(diào)理電路圖

圖3酒精傳感器為靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)及輸出信號(hào)特性圖，圖4為濃度線性特征曲線圖。由圖3和圖4可以看出，ME3－C2H5OH型電化學(xué)元件靈敏度高、響應(yīng)速度快、零點(diǎn)漂移較小，而且此元件是線性的。因此，采用這類電化學(xué)元件來檢測(cè)酒精濃度值精度較高，反應(yīng)較快。

2.3 語音報(bào)警模塊

圖3 靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)及輸出信號(hào)特性圖

圖4 濃度線性特征曲線圖

XF－S4040－CN中文語音合成芯片，是安徽中科大訊飛信息科技有限公司推出的基于InterSound4.6中文語音合成系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一款全新的中文語音合成芯片。該芯片可以通過異步串口（UART）及I2C總線接口方式接收命令和待合成的文本，直接合成為語音輸出，主要面向中高端應(yīng)用領(lǐng)域，提供一套語音合成效果出色、體積極小的語音解決方案。語言合成模塊電路如圖5所示。

XF－S4040－CN中文語音合成芯片針對(duì)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)，具有合成任意中文文本及英文字母的能力。該芯片的主要特點(diǎn)是合成語音自然度高，控制接口簡(jiǎn)單方便，可調(diào)節(jié)功能強(qiáng)大。其操作命令格式如下所示。

幀頭 數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度 數(shù)據(jù)區(qū)0xFD 高字節(jié) 低字節(jié) 命令字 文本編碼格式 待合成文本0xHH 0xLL 0x01 0x00～0x03…

基于串口的操作例程如下：

圖5 語音報(bào)警模塊電路圖

2.4 功放模塊

TDA7266是雙路音頻立體聲放大器，以 MULTIWATT形式封裝，專門為音樂設(shè)備和彩色電視機(jī)的高質(zhì)量音頻放大電路而設(shè)計(jì)。語音報(bào)警模塊輸出的左聲道和右聲道的語音信號(hào)通過電位器進(jìn)入TDA7266放大器中，進(jìn)行語音信號(hào)的放大，電位器用來調(diào)節(jié)音量大小，放大后輸出兩路音頻信號(hào)，將這兩路分別接到兩個(gè)揚(yáng)聲器上。TDA7266功放電路簡(jiǎn)單，聲音效果比較好，因此被廣泛應(yīng)用于高質(zhì)量的音頻放大上。功放模塊電路如圖6所示。

圖6 功放模塊電路圖

2.5 通信模塊

要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS－485串行總線，RS－485采用平衡發(fā)送和差分接收的組合，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測(cè)低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。RS－485接口總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用簡(jiǎn)單的RS－485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計(jì)中，正是考慮到酒精濃度探測(cè)儀的數(shù)據(jù)有可能要傳回電腦上位機(jī)終端，要求傳輸距離比較遠(yuǎn)而且信號(hào)失真小，因此選擇RS－485通信。

2.6 TFTLCD顯示模塊

酒精濃度探測(cè)儀在使用中，需要顯示酒精濃度值大小、報(bào)警信息，同時(shí)還需要輸入酒精濃度報(bào)警點(diǎn)預(yù)設(shè)值，用來設(shè)定酒精濃度報(bào)警的范圍。因此，本設(shè)計(jì)中采用TFTLCD來顯示酒精濃度值，TFTLCD具有觸摸功能，可用于輸入酒精濃度預(yù)設(shè)值。

TFTLCD采用了26萬色的TFTLCD屏幕，分辨率為320×240，可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)接口界面顯示。TFTLCD采用了Ilitek公司生產(chǎn)的ILI9320，它可以通過多種并行通信方式與單片機(jī)通信。TFTLCD屏幕自帶電阻式觸摸屏，利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制，采用TI公司生產(chǎn)的ADS7846作為觸摸屏控制芯片。ADS7846內(nèi)部集成了12位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換頻率為125kHz。使用時(shí)，ADS7846通過兩次A／D轉(zhuǎn)換得到觸點(diǎn)位置的X、Y坐標(biāo)，通過SPI總線與STM32通信，完成控制信息的輸入。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)初始化完畢后，首先采集酒精濃度傳感器的值，采用do…while（）等待傳感器初始化，直到最佳狀態(tài)，否則就一直等待。傳感器初始化完成之后，就開始進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)模式，當(dāng)有人吹氣時(shí)，可根據(jù)斜率的變化范圍檢測(cè)到，然后判斷其是否喝酒。當(dāng)檢測(cè)到酒精氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率將會(huì)隨著氣體濃度的增大而增大，導(dǎo)致與傳感器連接的分壓電阻的電壓增大，單片機(jī)A／D接口的第7個(gè)通道將會(huì)采集此電壓。當(dāng)電壓值增大到一定程度，即酒精濃度達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，就會(huì)將標(biāo)志位置為喝酒狀態(tài)；如果電壓降低，即酒精濃度為零，此時(shí)標(biāo)志位置為正常狀態(tài)。根據(jù)以上兩種不同狀態(tài)，蜂鳴器、語音模塊以及LED指示燈進(jìn)行不同的報(bào)警。單片機(jī)不停地進(jìn)行定時(shí)的A／D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷中進(jìn)行濾波、比較，兩次A／D測(cè)量值的差值既是電壓的變化率，也就是所需要的斜率值，將此值與之前設(shè)定的斜率范圍值進(jìn)行比較，從而也可以判斷出被測(cè)者是否飲酒。LCD會(huì)一直將采集到的值進(jìn)行濾波和取均值后的值進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

3.2 斜率算法設(shè)計(jì)

斜率算法的設(shè)計(jì)中主要使用到了單片機(jī)的定時(shí)A／D轉(zhuǎn)換資源，根據(jù)前文所述，需要計(jì)算電壓變換的斜率，即電壓在一定時(shí)間內(nèi)的變化范圍，使用定時(shí)A／D轉(zhuǎn)換功能可輕易地實(shí)現(xiàn)這一需求。

圖7為A／D轉(zhuǎn)換中斷程序流程圖，在主程序中只要根據(jù)此中斷設(shè)置的標(biāo)志位即可作出相應(yīng)的操作，比如語音播放的控制、蜂鳴器報(bào)警、LED燈的閃爍等。

結(jié) 語

圖7 A／D轉(zhuǎn)換中斷程序流程圖

本文詳細(xì)介紹了基于STM32的酒精濃度探測(cè)儀設(shè)計(jì)方法。該探測(cè)儀具有高精度、高靈敏度、友好的人機(jī)交互、智能化的語音報(bào)警、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，可適用于各種需要對(duì)人體酒精含量進(jìn)行檢測(cè)的場(chǎng)合，尤其適用于酒后駕車的檢測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

[1] ST.STM32固件庫使用手冊(cè)，2012.

[2] WINSEN.ME3－C2H5OH電化學(xué)式氣敏元件使用手冊(cè)，2012.

[3] 全書海，雷碩，畢常青.基于單片機(jī)的語音合成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，1999（9）.

[4] 陳燕生，夏春華.基于斜率計(jì)算的酒精濃度測(cè)試通道控制系統(tǒng)[J].山西電子技術(shù)，2009（6）.