基于数据存储的酒精测试仪的研究与设计

宋艳丽,宋 武

(黄冈职业技术学院, 湖北黄冈 438000)

基于数据存储的酒精测试仪的研究与设计

宋艳丽,宋 武

(黄冈职业技术学院, 湖北黄冈 438000)

在我国醉驾与酒驾是目前造成交通事故的主要原因之一，快速高效监测酒精浓度，而且能存储记录监测数据，确保数据权威性，是有效遏制醉驾与酒驾的有效手段之一。在结合传统酒精浓度监测的基础上，增加图像传感器，以FPGA为控制核心，实现实时监测驾驶员的图像和采集过程中的实时酒精浓度数据，并能及时存储，超过设定标准报警提示。

酒精传感器；图像传感器；检测仪

近年来，随人们社会水平提高，有车一族逐渐增长。因汽车数量增加，引起的交通事故也在不断增加，其中因酒后驾车引起的交通事故占有很大的比例。现交通警察为了确定驾驶员是否酒驾或醉驾，一般采用在饭后一段时间利用呼气式酒精测试仪进行现场检测，或者到医院采血进行血液酒精检测，这均是交警到现场进行随机抽检的方式[1]，但存在使用范围窄，不便于携带等弊端，而且有些驾驶员还无辜耍赖，不断拖延时间，事先监测的数据也会带来一些误差。针对现在的酒精检测仪存在的不足，在传统的酒精测试仪的基础上增强了图像采集和实时记录原始数据的功能，同时力求小巧、操作方便、测量精度高、便于携带的角度进行研究和设计。

1 研究原理

所研究和设计的酒精测试仪具有酒精浓度的判断、驾驶员图像的采集、测量原始数据的实时记录、数据按键回访以及超限报警等功能。酒精测试仪的工作原理是通过酒精浓度传感器对周围环境进行检测，将检测的模拟信号利用A/D转换器转换成数字信号；同时通过图像传感器进行图像信息采集测量对象，一并送入微控制器进行分析处理，并通过显示器显示测量的酒精浓度随时间变化原始曲线和采集对象，当酒精浓度超过预先设置的初始值时，发出报警信号，同时将采集环境信息存储到微控制器中。电路的系统框图如图1所示。

图1系统原理框图

2 硬件电路研究与设计

2.1 微控制器

微处理器是整个酒精测试仪的控制核心，控制A/D转换器、图像采集、显示器和报警电路等。选用了选用ALTERA公司的CYCLONE系列芯片EP1C12Q240C8N，采用了VHDL语言在QuartusⅡ9.0软件上开发。该系统控制器在FPGA配置之前和掉电过程中(仅通过JTAG抽头)一加电即可正常运行，常用A/D转换器可以将片上模拟传感器输出数字化，并且可以监控17个外部模拟输入来获取环境数据，自动校准和自检特性可以较大温度范围内实现准确而又可靠的测量。

2.2 酒精传感器

所选用MQ-3气体传感器对周围酒精成分反应敏感，灵敏度高。因为MQ-3气体传感器选用了在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)的气敏材料。MQ-3气体传感器当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子数量就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的增加而增大[2]。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。另外MQ-3气体传感器外围电路连接方便，容易将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。对应连接电路如图2所示。

2.3 A/D转换电路

A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，在设计中就是将酒精浓度信号将其快速、高精度地转换为FPGA所能够处理的数字量。其工作原理是FPGA通过控制总线输入采集端口地址，此地址经ADC0809译码后选通8路模拟采集的其中一输入口，通过FPGA输出控制信号，实现AD0809的模数转换功能，并将转换的数字量信号输出到数据总线上，由FPGA存储起来。A/D0809与FPGA联系电路如图3所示。

图2气体传感器MQ-3 电路连接 图3A/D转换连接电路图

2.4 图像采集

图像采集核心是图像传感器。设计中采用了OV7620，其内置640x480的图像阵列，每秒可输出30帧以上的图像，该器件能够通过串行SCCB接口编程，通过编程实现8位和16位格式的输出。与FPGA连接时的工作连接电路如图4所示，UV0～UV7及Y0～Y7是图像数据的输出总线,直接与FPGA对应的引脚相连，HREF与VSYNC分别是图像的行同步信号和帧同步信号，图像数据发生跳变是在PCLK时钟的上升沿到来。

2.5 报警电路

报警电路起到超过设定的浓度就报警，达到提醒目的。设计中采用了蜂鸣器，蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源，另一端与三极管的集电极连接，FPGA一输出端与ui连接，与非门的输出端通过电阻R1与三极管的基极连接。当检测的浓度大于设定值时，ui输出为低电平，此时与非门A1输出为高电平，三极管Q1导通，蜂鸣器发出声音；否则三极管截至，蜂鸣器不发出声音。报警电路如图5所示。

图4OV7620与FPGA连接时的工作连接电路 图5报警电路图

2.6 电源电路

原理框图中，需要一个给FPGA提供能量的电源，需要3.3V、5V工作电压，在实际电路中，将工频交流电通过变压器、整流电路和稳压电路组成，再向FPGA芯片EP1C12Q240C8N及其他电路供电源，为此利用一个7805三端5V稳压管、一个7812三端12V稳压管和一个AMS1085CT三端3.3V稳压管为电路主要组成部分[2]。

2.7 按键与显示

按键是酒精测试仪外接的输入控制设备，通过按键操作来实现人机交互。显示器采用了LCD1602，该液晶显示器控制简单，操作方便，技术成熟，而且可视面积大等。

3 软件电路研究与设计

本设计软件部分采用模块化设计思想，通QuartusⅡ9.0软件的操作控制平台，利用VHDL语言编写，主要由初始化子程序、LED显示子程序、图像采集子程序、A/D采样子程序以及数据处理子程序等模块组成，设计中灵活运用状态机进行设计，主程序流程图如图6所示。

[1]邵婷婷，董军堂等.基于单片机ADuC842的酒精测试仪设计[J].现代电子技术，2015，(12).

[2]张海红,许璐等. 单片机酒精测试仪[J].电子测试，2014，(24).

[3]宋艳丽.简易智能电动车的设计[J]，电子元器件应用，2012，(Z1).

Research and Design of Alcohol Testing Instrument Based on Data Storage

SONG Yan-li,SONG Wu

(Huanggang Polytechnic College, Huanggang, Hubei 438000)

In our country, DUI and drunken driving are the main cause of traffic accidents. Fast and efficient monitoring of alcohol concentration and recording monitoring data to ensure data authority is one of the effective means to curb DUI and drunken driving. Based on the traditional alcohol concentration monitoring, with the increase of image sensor and FPGA as the control core, the real-time monitoring of driver, the collection and the storage of the alcohol concentration data can be ensured.

alcohol sensor; image sensor; detector

2016-08-19

宋艳丽(1983-)，女，湖北当阳人，黄冈职业技术学院电子信息学院讲师，硕士。研究方向：单片机技术应用。

R77

A

1008-8156(2016)04-0068-02

修回日期：2016-10-20