基于蓝牙通信的酒精测试仪的设计

陈浩楠

摘 要：为解决酒驾带来道路交通安全问题，设计了一款实用、便携的呼气式酒精检测仪。以STC12C5A60S2单片机为中央处理器，采用半导体酒精传感器MQ-3测量呼出气体中的酒精浓度，将采集的原始数据经滤波等非线性处理，经AD转换后，根据国家标准换算成血液中的酒精浓度值；通过蓝牙传输手机或计算机进行显示或存储，实验证明能满足实际应用需要。

关键词：酒精检测 MQ-3 蓝牙

中图分类号：TH83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（b）-0108-03

世界卫生组织预测，十年后道路交通事故伤害将被列入疾病的范畴，而酒后驾驶是造成RTI的重要危险因素[1-2]。降低公共危害，杜绝司机酒后驾车，对其进行监测很有必要。检测呼气中酒精含量的检测方法为燃料半导体型、电池型、气体色谱分析型、比色型和红外型等5种。目前使用最多的为燃料电池型与半导体型[3]。前者对酒精气体极其敏感，其结构非常精密，制造难度非常大。后者对不同气体敏感程及不同工作温度下敏感程度也不同[4-5]。

针对上述问题，本文以STC12C5A60S2单片机为中央处理器，采用半导体酒精传感器MQ-3测量呼出气体中的酒精浓度，将采集的原始数据经滤波等非线性处理，经AD转换后，根据国家标准换算成血液中的酒精浓度值；采用LCD液晶进行显示，在达到饮酒或醉酒浓度阈值报警并将测试结果通过蓝牙上传到手机或计算机中进行存档。

1 检测仪系统

根据呼出气体酒精含量探测器的行业标准GA307-2001的相关规定和实际应用时的需求，所设计便携式酒精测试仪功能分为：测量功能，检测呼出气体中酒精的含量，并根据此含量推算出血液中酒精含量；温度检测，温度传感器实时检测酒精传感器附近的温度，对系统进行补偿使酒精得到最大限度的转化；显示功能，主要是显示测试的酒精浓度和此时的温度；报警功能，当浓度达到饮酒状态或醉酒状态时会发出不同的警报声等基本功能。最后经单片机串口将测试结果通过蓝牙上传到手机或计算机中进行显示和存档。其系统原理如图1所示。

1.1 酒精传感器模块

MQ-3气体传感器中的气敏材料电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大，通过模 块模拟信号输出端口，将酒精传感器采集的原始数据经单片机P1.0口进行A/D转换变成数字信号。

1.2 阈值设定

阈值是划分饮酒与醉酒界限，根据《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》中对饮酒驾车的认定：驾驶人员血液中酒精含量大于或者等于20mg/100mL，小于 80mg/100mL的驾驶行为为饮酒驾车；对醉酒驾车的认定：驾驶人员血液中酒精含量大于等于80mg/100mL的驾驶行为为醉酒驾车[4]。本设计以测量呼出气体中酒精浓度为依据，根据表1（部分）换算成血液中酒精浓度，即血液中酒精浓度=呼气酒精浓度×2200，与表中参考数据对照来确定饮酒状况。

2 采集系统设计

2.1 主程序流程

对于采集系统的软件设计，程序主要包括：信息录入、信号采集、数据显示。本设计主要是针对数据采集、数据处理和数据显示3个部分进行。酒精含量检测仪的软件部分总体流程图如图2所示。

2.2 限幅中值滤波

由于单片机速度较快，而且外界存在干扰，对采集的原始信号选择限幅中值滤波处理。

2.3 温度补偿

在实际应用中，环境的温度因素都会影响电路中电子元器件的特性参数，而且这些参数会随着时间推移而产生漂移。灵敏度变化、电路零点漂移、示值稳定性变差、动态稳定性变差、重复性精度变差都是受这些参数的变化而产生的。因此，加入温度传感器和加热电阻对系统的检测温度进行控制，保证检测温度控制在检测允许的范围内。

2.4 蓝牙通信设置

根据蓝牙技术，设计采用蓝牙设备以主模式发起呼叫时，只需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。设计以蓝牙为从机，与主机通信（手机既可以当主机也可以当从机）。通过蓝牙把单片机的串口数据发送出去，与带蓝牙的电脑或手机进行通信。

3 测试与分析

为保证系统可靠性，在常温控制条件下，对测试系统进行标定。系统经过调试后，采用75度左右的酒精溶液与水混合稀释测量。现以分别采用加满10mL、20mL和30mL酒精溶液与10mL水混合测试进行测量为例进行说明。测试结果表2所示。每次测试后需要一定时间恢复空气内的清洁度，到达测试20mg/100mL饮酒阈值后蜂鸣器报警，点亮一个LED灯；达到80mg/100mL时蜂鸣器鸣叫频率加大，两个LED灯均亮。同时把测试结果通过经串口将测试结果经蓝牙上传到手机或计算机中进行显示和存档。在不同的环境温度下测量时，同样的酒精浓度测量结果有些微差异，温度升高测试结果会有略微上升。

4 结语

本文以STC12C5A60S2单片机为中央处理器，采用半导体酒精传感器MQ-3测量呼出气体中的酒精浓度；经MCU中的AD转换，将采集的原始数据经滤波等非线性处理，并根据国家标准换算成血液中的酒精浓度值；显示在LCD，若达到饮酒或醉酒浓度阈值报警，最后将测试结果通过蓝牙上传到手机或计算机中进行存档。

参考文献

[1] Hayakawa H，Fischbeck PS，Fischhoff B. Traffic accident statistics and risk perceptions in Japan and the United States[J].Accident Analysis & Prevention，2000，32（6）：827-835.

[2] 梁集贤，杨青，荆莹.驾驶员血液中乙醇浓度（BAC）与交通事故相关性研究[J].现代交通技术，2007，4（5）：63-65.

[3] 孟祥海.基于STM32F407ZG的呼气式酒精含量检测仪的研究[D].河北工业大学，2014.

[4] Sakairi M.Water-cluster-detecting breath sensor and applications in cars for detecting drunk or drowsy driving[J].IEEE Sensors Journal，2012，12（5）：1078-1083.

[5] 徐連成.基于单片机设计的酒精气体浓度探测仪[J].电子技术，2014（9）：93-96.