基于單片機的車載酒精濃度測試儀的設計

辛慧娟

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽712000）

基于單片機的車載酒精濃度測試儀的設計

辛慧娟

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽712000）

本文以STC12C5A16AD單片機為核心控制器，利用MQ-3型氣體傳感器將氣體中含有乙醇氣態濃度轉換成電信號，再經A/D轉換電路送由單片機處理，并將乙醇的濃度通過LCD直觀顯示出來，從而實現了對酒精濃度的測量。當乙醇濃度超過設定允許值時，電路發出報警。

STC12C5A16AD單片機；MQ-3氣體傳感器；A/D轉換；顯示濃度

近年來，隨著社會的進步、我國經濟的高速發展，人民的生活水平迅速提高，越來越多的人有了自己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻頻發生[1-2]。酒后駕車引起的交通事故主要是由于司機的過量飲酒而造成人體內酒精濃度過高，麻痹神經，造成大腦反應遲緩，肢體不受控制等癥狀造成的。多年前交通管理者判定駕駛人員是否有飲酒只能靠主觀判斷、肉眼的觀察和去醫院進行血液中酒精含量的檢測，這些不科學不及時的方法造成了很多不必要的誤會和麻煩。目前，世界上絕大多數國家都采用呼氣酒精測試儀對駕駛人員進行現場檢測，以確定被測量者體內酒精含量的多少，以確保駕駛員的生命財產安全。另外，灑精易燃易爆，有關的各種工業活動中都要特別注意預防這種氣體的泄露。從工廠企業到居民家庭，酒精泄露的檢測、監控監測對居民的人身和財產安全都是十分重要且必不可少的。因此，設計一款便攜式的酒精濃度測試儀有著現實的意義[3]。

1 系統設計原理

車載酒精濃度測試儀是一款便攜式的灑精檢測儀器，所以各電路部分器件最重要的就是體積小巧功能強大。考慮到本設計產品之后要在不同的環境下使用，我們以單片機為核心控制器。本系統要直接檢測車內氣體的酒精濃度，再利用變量關系將其轉換為血液中的酒精含量濃度，故需要采用具有靈敏度高、選擇性好、可靠性高和使用壽命長的氣敏傳感器同時考慮到車內空氣中其他氣體成分對測量準確性造成的影響，故選擇了只對酒精氣體敏感的型氣敏傳感器。酒精傳感器利用信號輸出回路檢測所處環境中的酒精濃度，傳感器的電導率隨空氣中酒精濃度的增加而增大，即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。在對酒精傳感器能正常工作的溫度范圍、對酒精的敏感度、低功耗等因素作了參考比較后選擇了 MQ303A酒精傳感器作為敏感單元，利用它把氣體中含有的乙醇氣態濃度轉換成電信號，經A/D轉換電路送由單片機處理，由LCD直觀顯示被測氣體中的乙醇濃度，根據不同的環境設定不同的閾值，超過閾值即進行聲光報警[4]，圖1為酒精濃度測試儀方框圖。

圖1 酒精濃度測試儀方框圖

2 硬件系統設計

2.1 單片機系統原理圖

本硬件由4部分組成：單片機模塊，酒精傳感器模塊，顯示模塊，存儲模塊。本系統由單片機STC12C5A16AD控制，其直接控制兩個模塊：閥值存儲模塊將與酒精傳感器采集到并輸送到單片機控制處理后的數字信號相比較，LCD顯示模塊可以將經過單片機處理過的酒精氣體濃度具體量化值顯示出來。MQ-3乙醇氣體傳感器輸出信號經信號調理電路處理，輸出隨乙醇濃度變化的電壓信號，該電壓信號送入單片機系統，經A/D轉換，與設定的醉酒閥值進行比較，并顯示或報警。

STC12C5A16AD芯片為52內核8位單片機，內部集成了10位多路A/D轉換模塊，適用于常用檢測電路。由STC12C5A16AD組成的單片機系統原理圖如圖2所示。圖中AOUT為MQ-3傳感器模塊輸出的檢測電壓信號，送入ADC7端口進行處理，DOUT為傳感器模塊輸出的數字電平信號，該信號可以根據乙醇氣體濃度直接輸出報警信號，報警閾值通過模塊上的電位器進行調節。其中，按鍵K2和K3為醉酒閾值調整鍵，其中K2為“增加”，K3為“減小”按鍵。L2和L3為報警指示燈，分別可以進行酒后和醉酒兩級報警。

圖2 單片機系統原理圖

2.2 乙醇信號檢測及MQ-3傳感器調理電路

酒精濃度測試儀電路的傳感器模塊具有信號輸出指示、雙路信號輸出、TTL輸出有效信號為低電平、模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高的特點，方便與單片機系統接口組成檢測儀器。MQ-3乙醇氣體傳感器及其調理電路原理如圖3所示。經過調理電路后，檢測信號由電阻值轉變成電壓值，便于后續電路進行A/D轉換和處理[4]。

2.3 顯示電路

酒精濃度測試儀電路的LCD1602顯示器通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線。顯示電路主要功能有：40通道點陣LCD驅動；可選擇當作行驅動或列驅動；輸出能產生20×2個LCD驅動波形輸入接受控制器送出的串行數據和控制信號，偏壓；通過單片機控制將所測的頻率信號讀書顯示出來。與單片機接口電路如圖4所示。其中J2的3腳為背光引腳，R9和R10電阻用于調節背光亮度。J2的4、5、6引腳分別接液晶的RS、E/W和E控制引腳，J2的7—14引腳為數據引腳[5]。

圖3 傳感器及調理模塊原理圖

圖4 LCD與單片機接口電路

2.4 閾值存儲

酒精濃度測試儀電路的醉酒閾值存儲在EEPROM芯片AT24C04中，電路可以通過 “增加”、“減少”按鍵調節并保存此醉酒閾值。AT24C04是IIC接口的EEPROM芯片，可以用于掉電不易丟失數據的存儲[6-10]。EEPROM存儲電路如圖5所示，A0、A1和A2為芯片的地址引腳，一般接地即可。SCL和SDA為AT24C04和單片機IIC通信的時鐘線和數據線。

圖5 EEPROM存儲電路

3 軟件設計流程

本設計系統軟件主要完成時鐘、A/D轉換、報警、顯示等功能，主程序流程圖如圖6所示。軟件系統實現了對酒敏傳感器的測量信號進行A/D轉換，將測量數值與規定標準進行比較后判斷飲酒程度，調用相應的顯示、報警程序。程序首先進行的是酒精濃度采集，當傳感器檢測到酒精氣味時，氣體傳感器MQ-3兩個電極端A-B間電阻將變小[11-14]，對應與氣體傳感器負載電阻的分壓將變大，輸出電壓也將變大，這一變化的數值送入模數轉換模塊中，之后通過軟件編寫對數據進行處理，再將這一變化值成功地通過LCD1602顯示，判定濃度是否超過設定閥值，如被測酒精濃度超過了這一數值，聲光報警電路開始報警。

圖6 主程序流程圖

4 結 論

文中設計了基于單片機的車載酒精濃度測試儀，設計過程包括了硬件電路設計和軟件主程序流程兩部分，其中硬件系統主要完成單片機系統原理電路、乙醇信號檢測及MQ-3傳感器調理電路、顯示電路和閾值存儲電路的設計；軟件系統主要完成時鐘、A/D轉換、報警、顯示等功能的流程設計。通過本設計方案研制的試驗機多次測試得出，對應于人體血液中乙醇濃度為80～1 000 mg/L，酒精濃度測試儀的測量范圍0.05～0.74 mg/L，絕對誤差不超過0.04 mg/L，所有性能均達到了設計指標的要求，準確度較高，聲光報警器均工作正常。該儀器占地面積小，測試靈敏度、抗干擾能力等性能指標，特別適合駕駛員自測是否飲酒過量；另外，在對酒精濃度指示標度進行重新設定時，還可作為工廠、企業、居民家庭等環境的酒精泄露檢測、監控監測的監控儀，是一款較實用的測試儀器[15-16]。

[1]張福學.現代傳感器電路[M].北京:中國計量出版社，2000.

[2]萬隆，巴奉麗.單片機原理及應用技術[M].北京:清華大學出版社，2010.

[3]陳繼德.基于PIC16F877呼氣式酒精測試儀的設計[J].中國儀器儀表，2005（1）:9-11.

[4]湯竟南，沈國琴.51單片機C語言開發與實例[M].北京:人民郵電出版社，2008.

[5]謝漢龍.Proteus電子電路設計及仿真[M].北京:電子工業出版社，2012.

[6]譚秋林，許姣，等.基于C8051F040酒精濃度測試儀的研究[J].傳感器技術學報，2009，22（10）:78-1381.

[7]雷伏容，張小林，崔浩.51單片機常用模塊設計查詢手冊[M].北京:清華大學出版社，2010.

[8]李權.單片機原理及接口技術[M].北京:高等教育出版社，2009.

[9]吳桂秀.傳感器應用制作入門[M].浙江:浙江科學技術出版社，2004.

[10]孫宇峰，黃行九，劉偉，等.電化學CO氣體傳感器及其敏感特性[J].傳感器技術，2004，33（7）:14-17.

[11]何希才.器技術與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[12]蘭羽，盧慶林.儀表放大器在激光外差玻璃測厚系統中的應用[J].國外電子測量技術，2012，31（3）:79-82.

[13]周鴻武.基于單片機的酒精濃度檢測儀設計[J].制造業自動化，2012，34（2）:147-149.

[14]郁嵐，張青春.基于單片機的酒精氣體檢測系統設計[J]儀表技術，2010（5）:34-36，39.

[15]李文輝.基于8051單片機的多功能汽車開車控制器[J].自動化與儀器儀表，2010（5）:48-51.

[16]朱志強.基于STC單片機的靈敏酒精檢測系統的設計[J].數字技術與應用，2011（11）:61-62.

Design of the vehicle concentration detector based on single chip

XIN Hui-juan
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

In this paper，the author use STC12C5A16AD single chip as the core controller，by using the MQ-3 gas sensor to converte alcohol concentration into electrical signal，and then through the A/D conversion circuit to be sent to the single chip microcomputer processing，and the concentration of ethanol was directly displayed by LCD，so as to realize the measurement of alcohol concentration.when the ethanol concentration is exceeded，the circuit alarm is issued.

STC12C5A16AD chip； MQ-3 gas sensor； A/D converter； display the concentration

TN7

：A

：1674－6236（2017）14-0082-04

2016-04-15稿件編號：201604159

辛慧娟（1983—），女，陜西榆林人，碩士，講師。研究方向：電子電路及檢測技術。