基于单片机的车载酒精浓度测试仪的设计

辛慧娟

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳712000）

基于单片机的车载酒精浓度测试仪的设计

辛慧娟

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳712000）

本文以STC12C5A16AD单片机为核心控制器，利用MQ-3型气体传感器将气体中含有乙醇气态浓度转换成电信号，再经A/D转换电路送由单片机处理，并将乙醇的浓度通过LCD直观显示出来，从而实现了对酒精浓度的测量。当乙醇浓度超过设定允许值时，电路发出报警。

STC12C5A16AD单片机；MQ-3气体传感器；A/D转换；显示浓度

近年来，随着社会的进步、我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生[1-2]。酒后驾车引起的交通事故主要是由于司机的过量饮酒而造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状造成的。多年前交通管理者判定驾驶人员是否有饮酒只能靠主观判断、肉眼的观察和去医院进行血液中酒精含量的检测，这些不科学不及时的方法造成了很多不必要的误会和麻烦。目前，世界上绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。另外，洒精易燃易爆，有关的各种工业活动中都要特别注意预防这种气体的泄露。从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。因此，设计一款便携式的酒精浓度测试仪有着现实的意义[3]。

1 系统设计原理

车载酒精浓度测试仪是一款便携式的洒精检测仪器，所以各电路部分器件最重要的就是体积小巧功能强大。考虑到本设计产品之后要在不同的环境下使用，我们以单片机为核心控制器。本系统要直接检测车内气体的酒精浓度，再利用变量关系将其转换为血液中的酒精含量浓度，故需要采用具有灵敏度高、选择性好、可靠性高和使用寿命长的气敏传感器同时考虑到车内空气中其他气体成分对测量准确性造成的影响，故选择了只对酒精气体敏感的型气敏传感器。酒精传感器利用信号输出回路检测所处环境中的酒精浓度，传感器的电导率随空气中酒精浓度的增加而增大，即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。在对酒精传感器能正常工作的温度范围、对酒精的敏感度、低功耗等因素作了参考比较后选择了 MQ303A酒精传感器作为敏感单元，利用它把气体中含有的乙醇气态浓度转换成电信号，经A/D转换电路送由单片机处理，由LCD直观显示被测气体中的乙醇浓度，根据不同的环境设定不同的阈值，超过阈值即进行声光报警[4]，图1为酒精浓度测试仪方框图。

图1 酒精浓度测试仪方框图

2 硬件系统设计

2.1 单片机系统原理图

本硬件由4部分组成：单片机模块，酒精传感器模块，显示模块，存储模块。本系统由单片机STC12C5A16AD控制，其直接控制两个模块：阀值存储模块将与酒精传感器采集到并输送到单片机控制处理后的数字信号相比较，LCD显示模块可以将经过单片机处理过的酒精气体浓度具体量化值显示出来。MQ-3乙醇气体传感器输出信号经信号调理电路处理，输出随乙醇浓度变化的电压信号，该电压信号送入单片机系统，经A/D转换，与设定的醉酒阀值进行比较，并显示或报警。

STC12C5A16AD芯片为52内核8位单片机，内部集成了10位多路A/D转换模块，适用于常用检测电路。由STC12C5A16AD组成的单片机系统原理图如图2所示。图中AOUT为MQ-3传感器模块输出的检测电压信号，送入ADC7端口进行处理，DOUT为传感器模块输出的数字电平信号，该信号可以根据乙醇气体浓度直接输出报警信号，报警阈值通过模块上的电位器进行调节。其中，按键K2和K3为醉酒阈值调整键，其中K2为“增加”，K3为“减小”按键。L2和L3为报警指示灯，分别可以进行酒后和醉酒两级报警。

图2 单片机系统原理图

2.2 乙醇信号检测及MQ-3传感器调理电路

酒精浓度测试仪电路的传感器模块具有信号输出指示、双路信号输出、TTL输出有效信号为低电平、模拟量输出0～5 V电压，浓度越高电压越高的特点，方便与单片机系统接口组成检测仪器。MQ-3乙醇气体传感器及其调理电路原理如图3所示。经过调理电路后，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理[4]。

2.3 显示电路

酒精浓度测试仪电路的LCD1602显示器通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。显示电路主要功能有：40通道点阵LCD驱动；可选择当作行驱动或列驱动；输出能产生20×2个LCD驱动波形输入接受控制器送出的串行数据和控制信号，偏压；通过单片机控制将所测的频率信号读书显示出来。与单片机接口电路如图4所示。其中J2的3脚为背光引脚，R9和R10电阻用于调节背光亮度。J2的4、5、6引脚分别接液晶的RS、E/W和E控制引脚，J2的7—14引脚为数据引脚[5]。

图3 传感器及调理模块原理图

图4 LCD与单片机接口电路

2.4 阈值存储

酒精浓度测试仪电路的醉酒阈值存储在EEPROM芯片AT24C04中，电路可以通过 “增加”、“减少”按键调节并保存此醉酒阈值。AT24C04是IIC接口的EEPROM芯片，可以用于掉电不易丢失数据的存储[6-10]。EEPROM存储电路如图5所示，A0、A1和A2为芯片的地址引脚，一般接地即可。SCL和SDA为AT24C04和单片机IIC通信的时钟线和数据线。

图5 EEPROM存储电路

3 软件设计流程

本设计系统软件主要完成时钟、A/D转换、报警、显示等功能，主程序流程图如图6所示。软件系统实现了对酒敏传感器的测量信号进行A/D转换，将测量数值与规定标准进行比较后判断饮酒程度，调用相应的显示、报警程序。程序首先进行的是酒精浓度采集，当传感器检测到酒精气味时，气体传感器MQ-3两个电极端A-B间电阻将变小[11-14]，对应与气体传感器负载电阻的分压将变大，输出电压也将变大，这一变化的数值送入模数转换模块中，之后通过软件编写对数据进行处理，再将这一变化值成功地通过LCD1602显示，判定浓度是否超过设定阀值，如被测酒精浓度超过了这一数值，声光报警电路开始报警。

图6 主程序流程图

4 结 论

文中设计了基于单片机的车载酒精浓度测试仪，设计过程包括了硬件电路设计和软件主程序流程两部分，其中硬件系统主要完成单片机系统原理电路、乙醇信号检测及MQ-3传感器调理电路、显示电路和阈值存储电路的设计；软件系统主要完成时钟、A/D转换、报警、显示等功能的流程设计。通过本设计方案研制的试验机多次测试得出，对应于人体血液中乙醇浓度为80～1 000 mg/L，酒精浓度测试仪的测量范围0.05～0.74 mg/L，绝对误差不超过0.04 mg/L，所有性能均达到了设计指标的要求，准确度较高，声光报警器均工作正常。该仪器占地面积小，测试灵敏度、抗干扰能力等性能指标，特别适合驾驶员自测是否饮酒过量；另外，在对酒精浓度指示标度进行重新设定时，还可作为工厂、企业、居民家庭等环境的酒精泄露检测、监控监测的监控仪，是一款较实用的测试仪器[15-16]。

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Design of the vehicle concentration detector based on single chip

XIN Hui-juan
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

In this paper，the author use STC12C5A16AD single chip as the core controller，by using the MQ-3 gas sensor to converte alcohol concentration into electrical signal，and then through the A/D conversion circuit to be sent to the single chip microcomputer processing，and the concentration of ethanol was directly displayed by LCD，so as to realize the measurement of alcohol concentration.when the ethanol concentration is exceeded，the circuit alarm is issued.

STC12C5A16AD chip； MQ-3 gas sensor； A/D converter； display the concentration

TN7

：A

：1674－6236（2017）14-0082-04

2016-04-15稿件编号：201604159

辛慧娟（1983—），女，陕西榆林人，硕士，讲师。研究方向：电子电路及检测技术。