基于單片機(jī)ADuC842的酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)

邵婷婷等

摘 要： 設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)ADuC842的酒精測(cè)試儀，并介紹該系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。呼氣中的酒精信息由氣敏傳感器MQ?3采集，送到單片機(jī)ADuC842進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理，將檢測(cè)的酒精濃度通過(guò)LCD1602實(shí)時(shí)顯示，另一方面與預(yù)設(shè)的酒精濃度閾值范圍比較并給出報(bào)警等級(jí)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，呼氣酒精濃度測(cè)量范圍為0～0.72 mg/L，誤差不超過(guò)0.03 mg/L，可用于駕駛員酒精濃度的自我檢測(cè)和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞： 酒精濃度測(cè)試儀； 氣敏傳感器MQ?3； 單片機(jī)ADuC842； 駕駛員酒精濃度檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0102?03

近年來(lái)，汽車(chē)數(shù)量的增加使交通安全成為全球性的重大問(wèn)題，其中酒后駕車(chē)是引發(fā)交通事故的主要原因之一[1]。確定駕駛?cè)藛T是否酒駕，一般是交警采用呼氣式酒精測(cè)試儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，或者到醫(yī)院采血進(jìn)行血液酒精檢測(cè)，這兩種方法均是交警到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行隨機(jī)抽檢，所以檢測(cè)面窄、效率低[2]。本文從駕駛?cè)藛T的角度出發(fā)，探索設(shè)計(jì)了一款便攜式的酒精測(cè)試儀，駕駛?cè)藛T可進(jìn)行自我檢測(cè)，確定是否屬于酒后駕車(chē)、是否醉駕，得到最初的警報(bào)提示。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試表明，設(shè)計(jì)的樣機(jī)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示酒精濃度，誤差范圍不超過(guò)0.03 mg/L，并可實(shí)現(xiàn)3個(gè)等級(jí)的報(bào)警提示。

1 測(cè)量原理與系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

大量研究結(jié)果表明[3]，如果被測(cè)者深吸氣后以中等力度呼氣3 s以上時(shí)，呼出的氣就是從肺部深處出來(lái)的氣體。血液中的酒精濃度與呼氣中的酒精濃度有以下關(guān)系[4]：

[BACmg/L=BrACmg/L×2 200]

式中：BAC為血液中的酒精濃度；BrAC為呼氣中的酒精濃度；2 200為系數(shù)，因各國(guó)情況不同其值也略有不同，如在美國(guó)采用2 000，歐洲等很多國(guó)家采用2 100。雖然BrAC受到環(huán)境溫濕度和被測(cè)個(gè)體差異的影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不如直接檢測(cè)BAC準(zhǔn)確，但該結(jié)果仍可作為判斷飲酒程度的重要參考[5]。根據(jù)相關(guān)法律規(guī)定，駕駛員血液中酒精濃度與駕駛員行為類(lèi)別的關(guān)系如表1所示[6]。對(duì)應(yīng)呼氣中的酒精濃度臨界值為0.09 mg/L和0.36 mg/L。

表1 行為類(lèi)別與酒精濃度表

本系統(tǒng)以半導(dǎo)體型酒精傳感器MQ?3為呼氣中酒精濃度的采集電路，輸出的電壓信號(hào)送單片機(jī)ADuC842進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理。根據(jù)電壓值可確定對(duì)應(yīng)檢測(cè)到的酒精濃度，并通過(guò)LCD1602實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)與預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值比較，并給出是否正常、酒駕、醉駕的判斷結(jié)果。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 酒精濃度采集模塊

目前酒精濃度信號(hào)的采集一般采用燃料電池型和半導(dǎo)體型傳感器兩種。因燃料電池型傳感器結(jié)構(gòu)要求精密，在我國(guó)的應(yīng)用并不廣泛[7]。本文采用半導(dǎo)體型氣體傳感器MQ?3作為酒精濃度信號(hào)的采集模塊。該傳感器具有廣泛的探測(cè)范圍，適用于酒精檢測(cè)[8]，當(dāng)加熱3～5 min正常工作后，其阻值隨環(huán)境中酒精濃度的增加而減小，設(shè)計(jì)中通過(guò)與其串聯(lián)負(fù)載電阻上的輸出電壓獲得其阻值，因此傳感器的輸出電壓隨環(huán)境中酒精濃度的增大而增大。本設(shè)計(jì)的MQ?3電路連接圖如圖2所示。

相關(guān)資料顯示，MQ?3的輸出電壓信號(hào)同檢測(cè)到的酒精濃度近似為線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系[9]，如圖3所示。當(dāng)檢測(cè)到的酒精濃度為0時(shí)，MQ?3的輸出電壓為3 V，傳感器輸出電壓范圍超出了單片機(jī)ADuC842內(nèi)部2.5 V的基準(zhǔn)電壓[10]，因此本文在傳感器的輸出加上LM385Z?2.5 V提供一個(gè)-2.5 V的參考電壓，使單片機(jī)ADuC842的電壓輸入范圍變?yōu)?.5～2.5 V，符合單片機(jī)基準(zhǔn)電壓的范圍。

2.2 主控模塊

本設(shè)計(jì)采用ADuC842單片機(jī)作為主控芯片。該芯片基于8052內(nèi)核，內(nèi)部集成8路12位高速帶自校準(zhǔn)功能的A/D轉(zhuǎn)換，可提供62 KB片上閃存/電擦除程序存儲(chǔ)器，4 KB閃存/電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且功耗低、體積小、技術(shù)成熟、產(chǎn)品性?xún)r(jià)比高，滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。本系統(tǒng)呼氣中的酒精濃度采集由單片機(jī)ADuC842片上的12位高速A/D完成，選擇ADCCON1通道作為電壓信號(hào)的輸入通道，進(jìn)入單片機(jī)后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并根據(jù)圖3的近似關(guān)系計(jì)算出對(duì)應(yīng)的酒精濃度值，一方面通過(guò)LCD1602實(shí)時(shí)顯示呼氣酒精濃度，另一方面與預(yù)設(shè)的兩個(gè)臨界值0.09 mg/L和0.36 mg/L進(jìn)行比較，從而控制對(duì)應(yīng)的報(bào)警電路及LCD顯示結(jié)果。

2.3 顯示和報(bào)警模塊

本設(shè)計(jì)的顯示部分采用LCD1602，該液晶顯示器可視面積大，硬件電路簡(jiǎn)單，控制方便，技術(shù)成熟。本系統(tǒng)中LCD1602不但實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)到的酒精濃度值，并且根據(jù)比較的結(jié)果顯示不同的字樣。報(bào)警部分采用綠色、黃色和紅色三個(gè)LED燈以及蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，如果檢測(cè)的酒精濃度小于0.09 mg/L，則綠燈亮，LCD顯示“正常”，蜂鳴器不響；如果介于0.09 mg/L和0.36 mg/L，則黃燈亮，LCD顯示“酒駕”，蜂鳴器報(bào)警；如果大于0.36 mg/L，則紅燈亮，LCD顯示“醉駕”，蜂鳴器報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)Keil公司開(kāi)發(fā)的μVision 3編譯器用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，主要由主程序、初始化子程序、A/D采樣子程序、酒精濃度和電壓轉(zhuǎn)換子程序、酒精濃度顯示及其比較判斷子程序和報(bào)警子程序等組成，其主程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從駕駛?cè)藛T的角度出發(fā)，利用半導(dǎo)體氣體傳感器MQ?3，基于單片機(jī)ADuC842設(shè)計(jì)了一款便攜式酒精測(cè)試儀。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試表明，該酒精測(cè)試儀的測(cè)量范圍為0～0.72 mg/L，誤差范圍不超過(guò)0.03 mg/L。

該酒精測(cè)試儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，功耗體積小，閾值范圍設(shè)定與國(guó)家相關(guān)法律規(guī)定一致，駕駛?cè)藛T在開(kāi)車(chē)前可以自行檢測(cè)、監(jiān)控呼氣中的酒精濃度，確定是否適合駕駛。若改變閾值的范圍還可應(yīng)用于酒廠(chǎng)生產(chǎn)和食品發(fā)酵等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 申林杰，肖凱，劉曉東.基于模糊推理原則的車(chē)載多傳感器全方位酒精檢測(cè)系統(tǒng)[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，35（4）：479?484.

[2] 孫丹，趙奎兵，段富海.基于CC1110的車(chē)載主動(dòng)酒精檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（5）：1150?1153.

[3] 張艷麗，張紹楠，張猛.基于MSP430F149的酒精濃度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（10）：112?114.

[4] MCCAMMON K. Alcohol related motor vehicle crashes： deterrence and intervention [J]. Ann Emer Med， 2001， 38（14）： 415?422.

[5] 譚秋林，許嬌，薛晨楊，等.基于C8051F040酒精濃度測(cè)試儀的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009（10）：1378?1381.

[6] 尹益燕，張永昌.基于AVR單片機(jī)的酒駕檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].電子制作，2014（7）：66?67.

[7] 蘭羽，白潔.基于AT89C51的酒精濃度測(cè)試儀研究[J].信息技術(shù)，2013（10）：74?76.

[8] 袁捷.基于51單片機(jī)的酒精濃度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（18）：173?175.

[9] 徐京蓮，韓峻峰，潘盛輝，等.基于多傳感器融合的車(chē)載酒精檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（7）：105?107.

[10] 吳永忠，唐正.一種制冷劑鑒別儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（12）：21?23.

[11] 李致金，周宇，宋安.基于MSP430F2132車(chē)載酒精濃度監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（22）：121?123.