劉楊，張健，黃建芬，趙元鏡

(攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院,四川攀枝花,617000 )

0 引言

酒駕是一個(gè)全球都急待解決的問題,隨著體內(nèi)酒精濃度每增加0.05g/dl,駕駛風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)呈劇烈增加[1]。酒后駕駛發(fā)生交通事故的概率是非酒后駕駛的1.72倍[2]?！吨腥A人民共和國(guó)道路交通安全法》第九十一條規(guī)定,BAC在20～80mg/100ml之間為酒駕,醉駕是BAC值超過80mg/100ml[3],我國(guó)對(duì)酒駕案件相關(guān)的嫌疑人都予刑事拘留絕不容情[4]。

如今的酒檢儀最常見的原理是電化學(xué)-燃料電池型，以形成一個(gè)微小電壓的電信號(hào)，然后在數(shù)字顯示儀器上顯示出酒精氣體的濃度值。目前國(guó)內(nèi)已有各種防酒駕系統(tǒng)電子產(chǎn)品[5，6]，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴且制造難度大從而未得到大量的普及;基于以上原因，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)基于STC89C51單片機(jī)、MQ-3酒精氣敏傳感器和液晶顯示模塊為主的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、耗能低的價(jià)格便宜的酒精濃度報(bào)警裝置，使駕駛員能夠及時(shí)的自我檢測(cè)從而提高安全意識(shí)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于STC89C51單片機(jī)具有運(yùn)算速度快、耗能小和超強(qiáng)抗干擾能力[7]所以采用該單片機(jī)作為主控芯片，通過LCD1602進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示信息，采用半導(dǎo)體氣敏傳感器MQ-3對(duì)酒精氣壓的檢測(cè)，并通過電路將酒精濃度引起的MQ-3內(nèi)阻變化轉(zhuǎn)變成電壓變化后由ADC0832進(jìn)行采集，系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的酒精濃度信息于限值進(jìn)行對(duì)比，如果超過限制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的警示，限值可由按鍵進(jìn)行設(shè)置并具有掉電存儲(chǔ)的功能。其總體框圖如圖1所示。

圖1 方案總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是能使單片機(jī)正常工作的最小硬件電路，它包括電源電路，晶振電路，復(fù)位電路和程序存儲(chǔ)器選擇電路[8]。單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

2.2 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示儀器采用的是LCD1602液晶顯示模塊，它是通過PCB 把LCD控制器，驅(qū)動(dòng)器，RAM,ROM和液晶顯示面板連接在一體的，單片機(jī)只需向LCD模塊寫入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)就可以顯示需要的內(nèi)容。只需將LCD1602液晶顯示模塊的引腳口D0-D7連接到STC89C51單片機(jī)的P0上以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；而V0口接一個(gè)可調(diào)電位器，當(dāng)調(diào)節(jié)電位器位置改變時(shí)接入V0的電壓也隨之變化進(jìn)行顯示的清晰度也隨之變化，在實(shí)際時(shí)采用電位器而不采用固定阻值的電阻，就是為了能夠方便調(diào)節(jié)在不同電壓的場(chǎng)合下使用。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0832是一種8位分辨率雙通道轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，適用范圍廣泛，ADC0832能把酒精傳感器產(chǎn)生的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠識(shí)別的數(shù)字量信號(hào)[9]；且存在的誤差極小，轉(zhuǎn)換速度較高（250Khz時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間32μs）單電源供電，功率低（15mw）,穩(wěn)定性強(qiáng)。

一般情況下ADC0832與單片機(jī)的連接應(yīng)CS、CLK、DO、DI相同。CLK引腳提供ADC0832的工作時(shí)鐘, DO引腳將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理, DI引腳主要實(shí)現(xiàn)ADC0832電壓采樣輸入通道的選擇[10]，但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用以節(jié)省單片機(jī)IO口的使用。

2.4 MQ-3氣敏酒精傳感器模塊設(shè)計(jì)

MQ-3氣敏傳感器的工作原理是利用氣敏半導(dǎo)體材料同氣體接觸后，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)同時(shí)釋放出大量的熱量，造成半導(dǎo)體電阻發(fā)生變化，可以檢測(cè)的范圍0.04-4mg/L[11]，利用這一特性將酒精的濃度變化轉(zhuǎn)化為傳感器表面電阻RS兩級(jí)間的電位差的變化，再通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓VRL獲得的，二者的關(guān)系式為：RS/RL=(VC-VR)/VRS,其中VC為有效電壓。傳感器的輸出電壓與被測(cè)環(huán)境的酒精濃度存在著一個(gè)近視線性的關(guān)系，在正常不含酒精時(shí)傳感器器的輸出電壓大約在1V左右，當(dāng)傳感器檢測(cè)到酒精氣體時(shí)，電壓每升高0.1V，近視被測(cè)氣體濃度增加20PPM也即是2mg/100ml。

2.5 其他模塊設(shè)計(jì)

蜂鳴器模塊設(shè)計(jì):蜂鳴器選用的是電磁式有源蜂鳴器，當(dāng)I/O口輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫；當(dāng)I/O口輸出高電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止鳴叫。

獨(dú)立鍵盤模塊設(shè)計(jì):鍵盤實(shí)際上是一組開關(guān)的集合,當(dāng)鍵按下時(shí)，兩根導(dǎo)線接通;釋放時(shí)，兩根導(dǎo)線不通。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

程序的主函數(shù)是C語(yǔ)言進(jìn)行編程，其目的是在單片機(jī)上電后先對(duì)LCD顯示模塊進(jìn)行初始化，判斷MQ-3酒精傳感器是否加熱完成，對(duì)酒精檢測(cè)范圍的重置，檢測(cè)結(jié)果信息的反饋；以達(dá)到對(duì)酒精濃度檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的主程序圖框圖如圖3所示。

圖3 主程序圖框圖

3.2 LCD1602顯示子程序設(shè)計(jì)

1602液晶是字符型液晶，它的內(nèi)部自帶字符庫(kù)ROM，要使LCD1602液晶顯示模塊顯示字符，要對(duì)其控制器進(jìn)行初始化設(shè)置，還必須對(duì)有、無(wú)光標(biāo)，光標(biāo)的移動(dòng)方向，光標(biāo)是否閃爍及字符的移動(dòng)的方向進(jìn)行設(shè)置；在單片機(jī)控制LCD1602液晶顯示模塊顯示字符時(shí)，只需要將待顯示的字符的ASCII碼寫入內(nèi)部的顯示數(shù)據(jù)RAM,內(nèi)部控制電路就可將字符在顯示器上顯示出來，且在寫顯示程序的時(shí)候，先寫命令，再設(shè)定字符顯示，最后寫數(shù)據(jù)，在每寫一次命令或數(shù)據(jù)都需要判斷液晶是否忙。

3.3 ADC0832采集子程序設(shè)計(jì)

確定一個(gè)初始化信號(hào)，然后選擇需要采集的通道（單通道0、單通道1、雙通道0、雙通道1其中之一），選擇完通道后單片機(jī)發(fā)送下降沿開始讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是一位位的串行傳輸并且高位在前，低位在后，直到將八位數(shù)據(jù)都采集完畢后將采集到的數(shù)據(jù)返回。ADC0832采集子程序設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 ADC0832采集子程序設(shè)計(jì)框圖

3.4 報(bào)警子程序設(shè)計(jì)

程序執(zhí)行的前提的條件是得先通過鍵盤確定好報(bào)警閾值，并且把信息轉(zhuǎn)換為BCD碼存放在50H-52H的3個(gè)儲(chǔ)存單元中。傳感器采集的信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的測(cè)量值存儲(chǔ)在40H-42H的3個(gè)單元中并進(jìn)行十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，再通過與閾值進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)比較，若小于閾值則程序繼續(xù)進(jìn)行；若大于閾值則STC89C51單片機(jī)的P1口清零并報(bào)警裝置運(yùn)行。報(bào)警子系統(tǒng)程序框圖如圖5所示。

圖5 報(bào)警子系統(tǒng)程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：海拔1418m，氣壓843hPa，濕度 58%，氣溫 19℃。

實(shí)驗(yàn)是以日用酒為待測(cè)源，使其揮發(fā)經(jīng)過MQ-3傳感器收集到數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：儀器在使用之前需預(yù)熱約60s，檢測(cè)的酒精濃度范圍10-1000ppm，檢查范圍為 15～25cm，靈敏度 Rin air/Rin typical gas≥ 5，響應(yīng)時(shí)間約7s，回復(fù)時(shí)間約21s，所以該儀器對(duì)酒精有很高的靈敏度和良好的選擇性，快速的相應(yīng)恢復(fù)性和可靠性。

對(duì)酒精濃度檢測(cè)顯示結(jié)果的實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 酒精檢測(cè)儀顯示結(jié)果

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了以STC89C51單片機(jī)為程序控制主體，MQ-3氣敏傳感器采集信息，LCD1602液晶顯示模塊輸出信息的酒精濃度檢測(cè)儀。經(jīng)測(cè)試結(jié)果表明：在確定好需要檢測(cè)的酒精濃度范圍值后，儀器能及時(shí)的、準(zhǔn)確的、智能化的分析，并進(jìn)行聲光報(bào)警。檢測(cè)儀的各個(gè)子程序互不干擾，方便程序的修改，硬件部分體積小，耗能低，智能化程度高，具有較好實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。