基于单片机的酒精浓度检测仪的设计

俞露芦，陶大锦

（温州医科大学 生物医学工程系，浙江 温州 325035）

0 引言

近年来，中国经济不断发展，人民生活水平不断提高，私家车早已走进了千家万户，给人们生活带来了极大的便利。但是文明进步的背后，酒后驾驶问题也日趋严重。国内外研究表明，饮酒后驾驶人的触觉机能普遍下降，表现为触觉迟钝和反应迟钝，驾驶人在行车过程中手、脚不能正常地控制方向盘、油门和刹车；其视觉机能也会有一定程度的下降，视像模糊导致驾驶人不能迅速对交通信号、标志做出反应和判断[1-2]。世界卫生组织统计表明，酒后驾车发生事故的概率高达27%[3]。通过酒精浓度检测仪对驾驶人员进行酒精测试，可判断其醉酒程度，能够有效遏制酒后驾车和醉酒驾车，减少道路交通事故发生。

本文基于现状设计的酒精浓度检测仪，与传统酒精检测仪相比，具有如下优点：（1）体积小，便于携带；（2）采用12位AD转换芯片，精度高；（3）一个周期内取样20次，并在软件程序中对采样数据进行平滑处理，误差小。

1 系统硬件设计

1.1 探测参数

本系统以酒精浓度作为主要的探测参数。通过检测酒精信号采集电路的电压值，并对数据做一系列的分析处理，就可以得到被检测者呼气中的酒精浓度值。

1.2 方案设计

图1是本系统的硬件流程图，其包括信号采集模块、信号处理模块、控制处理模块和人机通道。

图1 硬件流程图

1.2.1 信号采集模块

MQ-3酒精传感器对于10 ppm～1 000 ppm范围内的酒精信号都有高度的敏感性，此外它还有以下几个特点：响应时间短、恢复快；使用寿命长，测得数值较稳定；驱动回路简单，便于应用。

MQ-3酒精传感器输出回路如图2所示。

图2 MQ-3酒精传感器接线图

MQ-3具有6只针状引脚，其中4只用于信号取出，另外2只则用于提供加热电流。图2中的1、3、4、6四脚用于信号取出，2、5端之间是加热电阻丝。同时在5脚后需要再接一个适当值的电阻，起到限流的作用。MQ-3上的微型A2O3陶瓷管、SnO2敏感层材料遇到酒精分子时，3、4两端之间的敏感体电阻会发生变化，导致输出的电压值发生改变。由于这种变化是可逆的，因此酒精传感器在实际应用中能够重复使用，多次测量。如果用5 V的电源供电，理论上MQ-3传感器输出电压值应该是0～5 V，但是实验测得在无酒精的环境中传感器输出的电压值并不为0。这就需要对系统进行零点设置，为方便计算，本系统选择以数字电压值1 000作为系统检测零点。当得到的数字电压值小于1 000时，液晶不能显示酒精浓度值。

1.2 .2信号处理模块

酒精传感器将酒精浓度信号转换成模拟电压信号，模拟电压信号再分别通过滤波电路，AD模数转换电路后，转换成数字电压信号交由控制处理电路分析处理。图3为信号处理模块的流程图。

图3 信号处理流程图

（1）滤波电路

滤波电路用于除去输出电压信号中可能夹杂的高频干扰信号。

（2）AD转换电路

传感器输出的电压信号通过滤波电路后，得到的是模拟电压信号，为了便于单片机数据处理需要将其转换成数字信号，因而其后连接了AD转换电路。在AD模数转换电路中，选用了12位的ADS7886芯片，具有高精度、低功耗、转换时间短、接口简单等特点[4]，同时价格经济实惠。ADS7886与单片机的接口电路如图4所示。

图4 ADS7886与单片机接口电路

STC89C52单片机与ADS7886配套使用时，其中的VCC接5 V电压，图中电容是旁路电容，用于去除VCC中夹杂的高频信号。SCLK端口产生数据转换的串行时钟，故需要连接单片机时钟；CS端口是片选信号。VIN端口用于输入信号，SDO端口用于接收数字信号数据。ADS7886一边进行转换一边进行数据输出。这些数据包含前面4个0和随后的12位数。

（3）控制处理模块

控制处理模块主要指单片机最小系统。本系统采用的单片机是STC公司生产的STC89C52，它是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，且具有8 KB在系统可编程Flash存储器，此外它还具有程序无法解密、价格低、功耗低、运算高速、高可靠强性、抗静电和抗干扰能力强、功能强大等优点。STC89C52在智能化电子产品设计中有着极其广泛的应用。单片机最小系统如下图5所示。

图5 单片机最小系统

1.2.3 人机通道

本系统中人机通道主要有按键检测模块、LCD液晶显示模块和声光报警模块。

（1）按键检测模块

测量键：只有当测量按键被按下后，系统才开始采集酒精浓度信号，并进行一系列的分析处理操作。

复位键：在一次测量结束后，需要复位操作后再次进行测量，否则可能引起较大误差。

RL分压电阻：用于调零。当设计的电路板被移动后，或者当MQ-3酒精传感器处于干扰较大的环境时，需要用螺丝刀调节RL分压，当调至液晶上AD显示1 000左右才可进行酒精浓度的测量操作。

（2）LCD液晶显示模块

LCD1602液晶功耗小、体积小、价格低廉，且能满足本系统设计的要求，故选择使用LCD1602作为本设计的显示模块。此外，LCD1602还具有对比度可调、内含复位电路、提供各种控制指令的特点。

本设计中LCD1602液晶的显示屏需要显示AD实时采样数字电压值和酒精浓度数值大小。

（3）声光报警模块

当检测到的酒精浓度超过200 mg/L时，黄色指示灯D2亮起，蜂鸣器发出报警声音，同时在液晶屏上显示当前被测酒精浓度；当检测到的酒精浓度超过800 mg/L时，红色指示灯D3亮起，蜂鸣器发出报警声音，同时在液晶屏上显示当前被测酒精浓度。在检测到的酒精浓度小于200 mg/L时，液晶屏上显示酒精浓度数值，报警指示灯不亮，蜂鸣器不鸣叫。声光报警模块如下图6所示。

图6 声光报警硬件连接图

2 系统软件设计

系统首先将得到的数字电压信号通过软件程序进行数据平滑处理，即在一个周期内采样取值20次，并用中间的10次采样值取平均值后作为此次酒精信号采样的数字电压值。再通过MQ-3敏感体电阻与分压电阻RL电压之比的变化量来计算酒精浓度变化量。系统将分析处理后的数据换算成酒精浓度值，然后再显示到LCD1602液晶上。如果测得的数据超过所设定的标准阈值，声光报警模块开始工作。同时也可以通过人为按键操作来控制人机互动功能。软件流程图如图7所示。

图7 软件流程图

3 系统整体调试

首先把传感器置于无酒精的环境下，调节使得LCD1602显示的浓度数值为0.00 mg/L。在MQ-3可探测到的酒精浓度范围下，即10 ppm～1 000 ppm范围内，配制3种不同浓度的酒精液体，并预先计算好它们的浓度值。然后分别用棉花棒蘸取酒精液体后放置于传感器上方，若液晶显示的数值分别与配制的酒精浓度值相近，则调试成功；如果液晶显示值与配制的浓度值有较大偏差，则调试不成功，需进一步查找原因。表1给出了在100 mg/L、250 mg/L和900 mg/L时测量得到的酒精浓度值。可以发现，本设计测量的酒精浓度误差在2%以内，如果进一步优化，便可以实际应用。

表1 酒精浓度测量值

4 结论

如果对本设计做一定程度的改进，并将它与多种传感器、远程处理等技术进行整合，就能够制成“酒精钥匙”。开车门之前，驾驶人需要按下开门键，待黄色准备灯亮起，对着这个吹棒吹气约2 s。如果驾驶人所做的酒精吹气测试结果未超过法定允许的标准值，绿色指示灯亮起，顺利通过酒精检测，车门打开，可以上路；如果驾驶人所做的酒精吹气测试结果超过法定允许的标准值，红色指示灯亮起，系统将使引擎维持在静止状态无法启动，这样就有效地遏制了酒后驾驶。相信随着科技的发展，这种酒精检测的技术将更广泛地应用于我们的生活。

[1]孔祥裕.浅析酒精对驾驶人的影响及当前酒精检测的主要方法及执法应用[J].林区教学，2008，131（2）：46-47.

[2]黄晖.酒后驾车检测技术的现状与发展[J].中国科技信息，2013（12）：185-186.

[3]彭挺，张诚，裴玉龙.酒精摄入对驾驶人驾驶能力的影响分析[J].交通信息与安全，2012，30（6）：43-49.

[4]陈其成，陶大锦.频分复用技术在多通道同步数据采集中的应用[J].微型机与应用，2013，32（10）：54-56.