基于单片机ADuC842的酒精测试仪的系统设计分析

　摘 要： 设计一款基于单片机ADuC842的酒精测试仪，并介绍该系统的工作原理和设计方法。呼气中的酒精信息由气敏传感器MQ?3采集，送到单片机ADuC842进行A/D转换和处理，将检测的酒精浓度通过LCD1602实时显示，另一方面与预设的酒精浓度阈值范围比较并给出报警等级。实验样机测试表明，该系统结构简单，操作方便，呼气酒精浓度测量范围为0～0.72 mg/L，误差不超过0.03 mg/L，可用于驾驶员酒精浓度的自我检测和监控。
　　关键词： 酒精浓度测试仪； 气敏传感器MQ?3； 单片机ADuC842； 驾驶员酒精浓度检测
　　中图分类号： TN710?34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）12?0102?03
　　近年来，汽车数量的增加使交通安全成为全球性的重大问题，其中酒后驾车是引发交通事故的主要原因之一[1]。确定驾驶人员是否酒驾，一般是交警采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，这两种方法均是交警到现场进行随机抽检，所以检测面窄、效率低[2]。本文从驾驶人员的角度出发，探索设计了一款便携式的酒精测试仪，驾驶人员可进行自我检测，确定是否属于酒后驾车、是否醉驾，得到最初的警报提示。实验样机测试表明，设计的样机系统可实时显示酒精浓度，误差范围不超过0.03 mg/L，并可实现3个等级的报警提示。
　　1 测量原理与系统方案设计
　　大量研究结果表明[3]，如果被测者深吸气后以中等力度呼气3 s以上时，呼出的气就是从肺部深处出来的气体。血液中的酒精浓度与呼气中的酒精浓度有以下关系[4]：
　　[BACmg/L=BrACmg/L×2 200]
　　式中：BAC为血液中的酒精浓度；BrAC为呼气中的酒精浓度；2 200为系数，因各国情况不同其值也略有不同，如在美国采用2 000，欧洲等很多国家采用2 100。虽然BrAC受到环境温湿度和被测个体差异的影响，导致测试结果不如直接检测BAC准确，但该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考[5]。根据相关法律规定，驾驶员血液中酒精浓度与驾驶员行为类别的关系如表1所示[6]。对应呼气中的酒精浓度临界值为0.09 mg/L和0.36 mg/L。
　　表1 行为类别与酒精浓度表
　　本系统以半导体型酒精传感器MQ?3为呼气中酒精浓度的采集电路，输出的电压信号送单片机ADuC842进行A/D转换和处理。根据电压值可确定对应检测到的酒精浓度，并通过LCD1602实时显示，同时与预设的报警阈值比较，并给出是否正常、酒驾、醉驾的判断结果。其结构框图如图1所示。
　　2 系统硬件设计
　　2.1 酒精浓度采集模块
　　目前酒精浓度信号的采集一般采用燃料电池型和半导体型传感器两种。因燃料电池型传感器结构要求精密，在我国的应用并不广泛[7]。本文采用半导体型气体传感器MQ?3作为酒精浓度信号的采集模块。该传感器具有广泛的探测范围，适用于酒精检测[8]，当加热3～5 min正常工作后，其阻值随环境中酒精浓度的增加而减小，设计中通过与其串联负载电阻上的输出电压获得其阻值，因此传感器的输出电压随环境中酒精浓度的增大而增大。本设计的MQ?3电路连接图如图2所示。
　　相关资料显示，MQ?3的输出电压信号同检测到的酒精浓度近似为线性函数关系[9]，如图3所示。当检测到的酒精浓度为0时，MQ?3的输出电压为3 V，传感器输出电压范围超出了单片机ADuC842内部2.5 V的基准电压[10]，因此本文在传感器的输出加上LM385Z?2.5 V提供一个-2.5 V的参考电压，使单片机ADuC842的电压输入范围变为0.5～2.5 V，符合单片机基准电压的范围。
　　2.2 主控模块
　　本设计采用ADuC842单片机作为主控芯片。该芯片基于8052内核，内部集成8路12位高速带自校准功能的A/D转换，可提供62 KB片上闪存/电擦除程序存储器，4 KB闪存/电擦除数据存储器，算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且功耗低、体积小、技术成熟、产品性价比高，满足系统的设计需求。本系统呼气中的酒精浓度采集由单片机ADuC842片上的12位高速A/D完成，选择ADCCON1通道作为电压信号的输入通道，进入单片机后进行A/D转换，并根据图3的近似关系计算出对应的酒精浓度值，一方面通过LCD1602实时显示呼气酒精浓度，另一方面与预设的两个临界值0.09 mg/L和0.36 mg/L进行比较，从而控制对应的报警电路及LCD显示结果。
　　2.3 显示和报警模块
　　本设计的显示部分采用LCD1602，该液晶显示器可视面积大，硬件电路简单，控制方便，技术成熟。本系统中LCD1602不但实时显示检测到的酒精浓度值，并且根据比较的结果显示不同的字样。报警部分采用绿色、黄色和红色三个LED灯以及蜂鸣器实现，如果检测的酒精浓度小于0.09 mg/L，则绿灯亮，LCD显示“正常”，蜂鸣器不响；如果介于0.09 mg/L和0.36 mg/L，则黄灯亮，LCD显示“酒驾”，蜂鸣器报警；如果大于0.36 mg/L，则红灯亮，LCD显示“醉驾”，蜂鸣器报警。
　　3 系统软件设计
　　本设计软件部分采用模块化设计，通过Keil公司开发的μVision 3编译器用C51语言编写，主要由主程序、初始化子程序、A/D采样子程序、酒精浓度和电压转换子程序、酒精浓度显示及其比较判断子程序和报警子程序等组成，其主程序流程图如图4所示。
　　4 结 语
　　本文从驾驶人员的角度出发，利用半导体气体传感器MQ?3，基于单片机ADuC842设计了一款便携式酒精测试仪。实验样机测试表明，该酒精测试仪的测量范围为0～0.72 mg/L，误差范围不超过0.03 mg/L。
　　该酒精测试仪结构简单，操作方便，功耗体积小，阈值范围设定与国家相关法律规定一致，驾驶人员在开车前可以自行检测、监控呼气中的酒精浓度，确定是否适合驾驶。若改变阈值的范围还可应用于酒厂生产和食品发酵等领域。
　　参考文献
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