曾當(dāng)兵

（中山市技師學(xué)院，廣州中山，528400）

0 引言

目前市面上出現(xiàn)的酒駕測(cè)試儀價(jià)格昂貴，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)單一，不能修改閾值數(shù)據(jù)，使用場(chǎng)合單一，耗電量大，經(jīng)常更換干電池，使用成本高等不足，針對(duì)以上不足，結(jié)合高性能單片機(jī)STC12C5A16AD的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該測(cè)試儀，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)酒駕行為進(jìn)行提前預(yù)防，保障人民群眾的生命安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STC12C5A60S2微處理器，用于檢測(cè)氣體中的酒精濃度，可使用在一些對(duì)環(huán)境酒精氣體濃度要求嚴(yán)格的生產(chǎn)車間，本設(shè)計(jì)可以及時(shí)檢測(cè)車間內(nèi)的氣體酒精濃度。當(dāng)氣體酒精濃度高于設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出告警提示，提醒車間管理者及時(shí)通風(fēng)換氣，以便于安全生產(chǎn)。除此之外，還可用于酒駕測(cè)試，用來(lái)測(cè)試當(dāng)前呼氣酒精濃度，是否高于酒駕濃度閾值，以此來(lái)時(shí)刻提醒駕駛員請(qǐng)勿酒后駕駛。

為了提高測(cè)量數(shù)據(jù)精度，需要高精度的酒精傳感器，本設(shè)計(jì)中采用了MQ—3型酒精傳感器，將酒精氣體濃度值轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬電壓輸出，再將模擬電壓值傳送到微處理內(nèi)部自帶的高精度10位A/D轉(zhuǎn)換模塊中去，得到一組10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)內(nèi)部寄存器中，再通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制部件，將相應(yīng)結(jié)果顯示在液晶顯示屏中。為了便于使用，采用通用USB接口充電器，大容量鋰電池，提供穩(wěn)定可靠的電源支持。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包含MQ—3乙醇?xì)怏w檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、 鋰電池充放電模塊、報(bào)警模塊、單片機(jī)模塊等。

1.3 外觀工藝設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的定位是日常使用便攜式測(cè)試器，主要特點(diǎn)是使用方便，容易攜帶，安全衛(wèi)生，重復(fù)使用操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。根據(jù)以上特點(diǎn)對(duì)測(cè)試儀外觀工藝做要求：重量要輕；三維尺寸要小，適合手持要求；氣嘴由于經(jīng)常使用，可以采用價(jià)格適中的一次性氣嘴設(shè)計(jì)，符合市面上通用氣嘴標(biāo)準(zhǔn)；充電設(shè)備兼容手機(jī)等電子產(chǎn)品充電設(shè)備規(guī)范，采用迷你USB接口；顯示屏幕不能太大，為了縮小整體尺寸，顯示測(cè)試數(shù)據(jù)和相關(guān)報(bào)警信息等。測(cè)試儀外觀滿足人體工程學(xué)相關(guān)要求，外觀采用流線型設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 微處理器單元

在這次設(shè)計(jì)中采用了STC12C5A60S2微處理器，該處理器屬于增強(qiáng)型51單片機(jī)，是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)單片機(jī)。普通51單片機(jī)的機(jī)器周期是振蕩頻率進(jìn)行12分頻后得到的，而該單片機(jī)機(jī)器周期相等于振蕩周期，這樣在相同振蕩頻率下，該單片機(jī)指令執(zhí)行速度至少比普通單片機(jī)快12倍，適合用于響應(yīng)及時(shí)的場(chǎng)合，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該單片機(jī)價(jià)格已經(jīng)接近普通51單片機(jī)價(jià)格。它內(nèi)部集成1280 字節(jié) RAM和64KROM空間，適合運(yùn)行大型單片機(jī)程序，給程序員提供方便。內(nèi)部還集成了8路10位高精度高速A/D轉(zhuǎn)換器，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，本設(shè)計(jì)正是利用單片機(jī)內(nèi)部高精度A/D轉(zhuǎn)換器，在不影響測(cè)試精度的條件下，方便控制測(cè)試儀的整體尺寸，節(jié)約成本。

2.2 MQ-3傳感器模塊

圖2 MQ—3外部結(jié)構(gòu)圖

傳感器電壓輸出信號(hào)Vout和氣體酒精濃度，以及環(huán)境溫度密切相關(guān)，為了減小氣體酒精濃度測(cè)量誤差，需要在傳感器測(cè)量前進(jìn)行預(yù)熱，一般預(yù)熱時(shí)間為 20秒左右。Vout電壓每升高0.1V，實(shí)際被測(cè)氣體的濃度增加20ppm，這里的1ppm=1mg/kg=1mg/L , 常用來(lái)表示氣體濃度，或者溶液濃度。

MQ—3模塊信號(hào)有數(shù)字電平輸出和模擬信號(hào)電壓輸出兩種模式，由于本設(shè)計(jì)需要適時(shí)顯示被測(cè)量的酒精濃度，所以采用模擬電壓輸出模式。模擬電壓輸出范圍0～5V，濃度越高輸出電壓值越高。

2.3 液晶模塊

為了讓產(chǎn)品便于攜帶，考慮到待機(jī)時(shí)長(zhǎng)問題，本設(shè)計(jì)采用成熟的1602液晶作為顯示單元。1602液晶體積小，能固定顯示兩行各16個(gè)字符，采用移位顯示模式還可以顯示兩行各32個(gè)字符，本項(xiàng)目第一行顯示“Alcohol CON：”，第二行顯示“xxx mg/100ml”。如果將第一閾值閾值設(shè)置為20mg/100ml，第二閾值設(shè)置為80mg/100ml，那么測(cè)試值大于等于20mg/100ml，小于80mg/100ml，第二行顯示數(shù)值會(huì)以1Hz頻率閃爍，并開啟蜂鳴器和報(bào)警燈以相同頻率報(bào)警；如果數(shù)值大于等于80mg/100ml，則數(shù)值以10Hz的頻率快速閃爍，并開啟蜂鳴器和報(bào)警燈以相同頻率報(bào)警。以上警告提示是以國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局早前發(fā)布的《車輛駕駛?cè)藛T血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗(yàn)》（GB19522－2004）為依據(jù)。

2.4 鍵盤模塊

鍵盤模塊主要作用是可以設(shè)置閥門值，根據(jù)不同場(chǎng)合對(duì)酒精濃度的要求進(jìn)行修改，擴(kuò)大了本設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍。一個(gè)按鍵定義為數(shù)值加，每按一次數(shù)值增加1mg/100ml；另一個(gè)為數(shù)值減，每按一次數(shù)值減少1mg/100ml；第三個(gè)按鍵為數(shù)值清零，講預(yù)設(shè)的閥門值清零；第四個(gè)按鍵為設(shè)置鍵，用于設(shè)置數(shù)據(jù)確認(rèn)鍵。本系統(tǒng)所需按鍵較少，采用獨(dú)立式按鍵電路連接方式。

2.5 鋰電池充放電模塊

鋰電池充電、放電模塊采用TP5410來(lái)解決，TP5410是一款專為移動(dòng)電源鋰電池充電和升壓至恒定5V的電源管理芯片，它可以進(jìn)行高精度的電壓充電和精確調(diào)節(jié)充電電流，還具有預(yù)充、充電狀態(tài)指示和充電截止等功能。R6是充電電流調(diào)節(jié)電阻，將它設(shè)為680Ω，最大充電電流可以到1A，充、放電電路如圖3所示。

圖3 鋰電池充、放電電路圖

本系統(tǒng)耗電部分主要集中在MQ—3傳感器檢測(cè)和蜂鳴器報(bào)警期間，最大供電電流不大，實(shí)際最大工作電流不足300mA，輸出電壓在+5V±0.1V。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

總體程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)初始化包括液晶屏初始化、A/D初始化、數(shù)據(jù)初始化。設(shè)定判斷閾值主要是根據(jù)環(huán)境需要設(shè)定極限值，系統(tǒng)允許設(shè)定三個(gè)不同閾值，如果是測(cè)試酒駕、醉駕，則設(shè)定第一個(gè)閾值為20mg/100ml，第二個(gè)閾值為80mg/100ml，第三個(gè)閾值可以不用設(shè)置，系統(tǒng)默認(rèn)不啟用。系統(tǒng)也可以用在其他需要測(cè)試酒精濃度的場(chǎng)合，比如食品加工車間、釀酒車間等。聲光報(bào)警是由一只紅色LED和蜂鳴器組成，通過(guò)報(bào)警聲音頻率和LED閃爍頻率來(lái)確定超出規(guī)定閾值酒精濃度的高低，綠色LED表示濃度值正常。

在酒精濃度測(cè)量過(guò)程中，連續(xù)多次測(cè)量值都會(huì)有不同，為了讓測(cè)量值更加穩(wěn)定和精確，這里采用多次測(cè)量取平均值的辦法，系統(tǒng)每隔10ms測(cè)量一次數(shù)據(jù)，將測(cè)量到的五次數(shù)據(jù)做平均處理。

傳感器在測(cè)量不同濃度酒精溶液時(shí)，測(cè)試濃度值與電壓值之間是非線性關(guān)系，為了使處理數(shù)據(jù)方便，系統(tǒng)將電壓值區(qū)間分為六段，分別做線性處理，具體映射方式如表5所示。

圖4 程序流程圖

4 制作與標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量

由于考慮到便攜性特點(diǎn)，電路板盡量設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，液晶屏罩在單片機(jī)上，吹嘴通過(guò)軟管接到傳感器上，

讓氣體都能噴到傳感器感應(yīng)頭上。配置四種濃度：10mg/100ml、22mg/100ml、48mg/100ml、112mg/100ml，用該系統(tǒng)測(cè)試四種容易的濃度值為：9.8、22.1、47.1、106.2，測(cè)量最大誤差為5.2%。實(shí)驗(yàn)表明測(cè)量低濃度數(shù)值誤差較小，高濃度測(cè)試數(shù)值誤差稍大，由于測(cè)試環(huán)境酒精濃度普遍不高，在低濃度環(huán)境測(cè)量中精度更高，整體符合系統(tǒng)的應(yīng)用要求。 由于溶液中酒精易揮發(fā)，酒精濃度會(huì)比配置值稍低，也會(huì)影響測(cè)量誤差。

表5 電壓值-濃度映射關(guān)系

5 總結(jié)

本系統(tǒng)體積小巧，便于攜帶，采用鋰電池供電，使用成本降低了。充分利用STC增強(qiáng)型51單片機(jī)的高性能，讓微處理器外圍元件減少，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。閾值設(shè)置靈活，擴(kuò)大了該系統(tǒng)的使用范圍，通用性更強(qiáng)。采用一定的軟件優(yōu)化技術(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。