基于藍牙通信的酒精測試儀的設計

陳浩楠

摘 要：為解決酒駕帶來道路交通安全問題，設計了一款實用、便攜的呼氣式酒精檢測儀。以STC12C5A60S2單片機為中央處理器，采用半導體酒精傳感器MQ-3測量呼出氣體中的酒精濃度，將采集的原始數據經濾波等非線性處理，經AD轉換后，根據國家標準換算成血液中的酒精濃度值；通過藍牙傳輸手機或計算機進行顯示或存儲，實驗證明能滿足實際應用需要。

關鍵詞：酒精檢測 MQ-3 藍牙

中圖分類號：TH83 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（b）-0108-03

世界衛生組織預測，十年后道路交通事故傷害將被列入疾病的范疇，而酒后駕駛是造成RTI的重要危險因素[1-2]。降低公共危害，杜絕司機酒后駕車，對其進行監測很有必要。檢測呼氣中酒精含量的檢測方法為燃料半導體型、電池型、氣體色譜分析型、比色型和紅外型等5種。目前使用最多的為燃料電池型與半導體型[3]。前者對酒精氣體極其敏感，其結構非常精密，制造難度非常大。后者對不同氣體敏感程及不同工作溫度下敏感程度也不同[4-5]。

針對上述問題，本文以STC12C5A60S2單片機為中央處理器，采用半導體酒精傳感器MQ-3測量呼出氣體中的酒精濃度，將采集的原始數據經濾波等非線性處理，經AD轉換后，根據國家標準換算成血液中的酒精濃度值；采用LCD液晶進行顯示，在達到飲酒或醉酒濃度閾值報警并將測試結果通過藍牙上傳到手機或計算機中進行存檔。

1 檢測儀系統

根據呼出氣體酒精含量探測器的行業標準GA307-2001的相關規定和實際應用時的需求，所設計便攜式酒精測試儀功能分為：測量功能，檢測呼出氣體中酒精的含量，并根據此含量推算出血液中酒精含量；溫度檢測，溫度傳感器實時檢測酒精傳感器附近的溫度，對系統進行補償使酒精得到最大限度的轉化；顯示功能，主要是顯示測試的酒精濃度和此時的溫度；報警功能，當濃度達到飲酒狀態或醉酒狀態時會發出不同的警報聲等基本功能。最后經單片機串口將測試結果通過藍牙上傳到手機或計算機中進行顯示和存檔。其系統原理如圖1所示。

1.1 酒精傳感器模塊

MQ-3氣體傳感器中的氣敏材料電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大，通過模 塊模擬信號輸出端口，將酒精傳感器采集的原始數據經單片機P1.0口進行A/D轉換變成數字信號。

1.2 閾值設定

閾值是劃分飲酒與醉酒界限，根據《車輛駕駛人員血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗》中對飲酒駕車的認定：駕駛人員血液中酒精含量大于或者等于20mg/100mL，小于 80mg/100mL的駕駛行為為飲酒駕車；對醉酒駕車的認定：駕駛人員血液中酒精含量大于等于80mg/100mL的駕駛行為為醉酒駕車[4]。本設計以測量呼出氣體中酒精濃度為依據，根據表1（部分）換算成血液中酒精濃度，即血液中酒精濃度=呼氣酒精濃度×2200，與表中參考數據對照來確定飲酒狀況。

2 采集系統設計

2.1 主程序流程

對于采集系統的軟件設計，程序主要包括：信息錄入、信號采集、數據顯示。本設計主要是針對數據采集、數據處理和數據顯示3個部分進行。酒精含量檢測儀的軟件部分總體流程圖如圖2所示。

2.2 限幅中值濾波

由于單片機速度較快，而且外界存在干擾，對采集的原始信號選擇限幅中值濾波處理。

2.3 溫度補償

在實際應用中，環境的溫度因素都會影響電路中電子元器件的特性參數，而且這些參數會隨著時間推移而產生漂移。靈敏度變化、電路零點漂移、示值穩定性變差、動態穩定性變差、重復性精度變差都是受這些參數的變化而產生的。因此，加入溫度傳感器和加熱電阻對系統的檢測溫度進行控制，保證檢測溫度控制在檢測允許的范圍內。

2.4 藍牙通信設置

根據藍牙技術，設計采用藍牙設備以主模式發起呼叫時，只需要知道對方的藍牙地址，配對密碼等信息，配對完成后，可直接發起呼叫。設計以藍牙為從機，與主機通信（手機既可以當主機也可以當從機）。通過藍牙把單片機的串口數據發送出去，與帶藍牙的電腦或手機進行通信。

3 測試與分析

為保證系統可靠性，在常溫控制條件下，對測試系統進行標定。系統經過調試后，采用75度左右的酒精溶液與水混合稀釋測量。現以分別采用加滿10mL、20mL和30mL酒精溶液與10mL水混合測試進行測量為例進行說明。測試結果表2所示。每次測試后需要一定時間恢復空氣內的清潔度，到達測試20mg/100mL飲酒閾值后蜂鳴器報警，點亮一個LED燈；達到80mg/100mL時蜂鳴器鳴叫頻率加大，兩個LED燈均亮。同時把測試結果通過經串口將測試結果經藍牙上傳到手機或計算機中進行顯示和存檔。在不同的環境溫度下測量時，同樣的酒精濃度測量結果有些微差異，溫度升高測試結果會有略微上升。

4 結語

本文以STC12C5A60S2單片機為中央處理器，采用半導體酒精傳感器MQ-3測量呼出氣體中的酒精濃度；經MCU中的AD轉換，將采集的原始數據經濾波等非線性處理，并根據國家標準換算成血液中的酒精濃度值；顯示在LCD，若達到飲酒或醉酒濃度閾值報警，最后將測試結果通過藍牙上傳到手機或計算機中進行存檔。

參考文獻

[1] Hayakawa H，Fischbeck PS，Fischhoff B. Traffic accident statistics and risk perceptions in Japan and the United States[J].Accident Analysis & Prevention，2000，32（6）：827-835.

[2] 梁集賢，楊青，荊瑩.駕駛員血液中乙醇濃度（BAC）與交通事故相關性研究[J].現代交通技術，2007，4（5）：63-65.

[3] 孟祥海.基于STM32F407ZG的呼氣式酒精含量檢測儀的研究[D].河北工業大學，2014.

[4] Sakairi M.Water-cluster-detecting breath sensor and applications in cars for detecting drunk or drowsy driving[J].IEEE Sensors Journal，2012，12（5）：1078-1083.

[5] 徐連成.基于單片機設計的酒精氣體濃度探測儀[J].電子技術，2014（9）：93-96.