基于单片机的便携式酒精浓度测试仪设计与实现

曾当兵

（中山市技师学院，广州中山，528400）

0 引言

目前市面上出现的酒驾测试仪价格昂贵，测试标准单一，不能修改阈值数据，使用场合单一，耗电量大，经常更换干电池，使用成本高等不足，针对以上不足，结合高性能单片机STC12C5A16AD的特点，设计该测试仪，以满足不同应用场合，对酒驾行为进行提前预防，保障人民群众的生命安全。

1 系统总体设计

1.1 功能设计

本设计基于STC12C5A60S2微处理器，用于检测气体中的酒精浓度，可使用在一些对环境酒精气体浓度要求严格的生产车间，本设计可以及时检测车间内的气体酒精浓度。当气体酒精浓度高于设定阈值时，发出告警提示，提醒车间管理者及时通风换气，以便于安全生产。除此之外，还可用于酒驾测试，用来测试当前呼气酒精浓度，是否高于酒驾浓度阈值，以此来时刻提醒驾驶员请勿酒后驾驶。

为了提高测量数据精度，需要高精度的酒精传感器，本设计中采用了MQ—3型酒精传感器，将酒精气体浓度值转换成0～5V的模拟电压输出，再将模拟电压值传送到微处理内部自带的高精度10位A/D转换模块中去，得到一组10位二进制数据存放在单片机内部寄存器中，再通过单片机数据处理和控制部件，将相应结果显示在液晶显示屏中。为了便于使用，采用通用USB接口充电器，大容量锂电池，提供稳定可靠的电源支持。

1.2 系统结构设计

系统结构框图如图1所示，包含MQ—3乙醇气体检测模块、液晶显示模块、键盘模块、 锂电池充放电模块、报警模块、单片机模块等。

1.3 外观工艺设计

测试仪的定位是日常使用便携式测试器，主要特点是使用方便，容易携带，安全卫生，重复使用操作简便等特点。根据以上特点对测试仪外观工艺做要求：重量要轻；三维尺寸要小，适合手持要求；气嘴由于经常使用，可以采用价格适中的一次性气嘴设计，符合市面上通用气嘴标准；充电设备兼容手机等电子产品充电设备规范，采用迷你USB接口；显示屏幕不能太大，为了缩小整体尺寸，显示测试数据和相关报警信息等。测试仪外观满足人体工程学相关要求，外观采用流线型设计。

图1 系统结构框图

2 硬件系统设计

2.1 微处理器单元

在这次设计中采用了STC12C5A60S2微处理器，该处理器属于增强型51单片机，是单时钟/机器周期(1T)单片机。普通51单片机的机器周期是振荡频率进行12分频后得到的，而该单片机机器周期相等于振荡周期，这样在相同振荡频率下，该单片机指令执行速度至少比普通单片机快12倍，适合用于响应及时的场合，随着单片机技术的发展，该单片机价格已经接近普通51单片机价格。它内部集成1280 字节 RAM和64KROM空间，适合运行大型单片机程序，给程序员提供方便。内部还集成了8路10位高精度高速A/D转换器，指令代码完全兼容传统51单片机，本设计正是利用单片机内部高精度A/D转换器，在不影响测试精度的条件下，方便控制测试仪的整体尺寸，节约成本。

2.2 MQ-3传感器模块

图2 MQ—3外部结构图

传感器电压输出信号Vout和气体酒精浓度，以及环境温度密切相关，为了减小气体酒精浓度测量误差，需要在传感器测量前进行预热，一般预热时间为 20秒左右。Vout电压每升高0.1V，实际被测气体的浓度增加20ppm，这里的1ppm=1mg/kg=1mg/L , 常用来表示气体浓度，或者溶液浓度。

MQ—3模块信号有数字电平输出和模拟信号电压输出两种模式，由于本设计需要适时显示被测量的酒精浓度，所以采用模拟电压输出模式。模拟电压输出范围0～5V，浓度越高输出电压值越高。

2.3 液晶模块

为了让产品便于携带，考虑到待机时长问题，本设计采用成熟的1602液晶作为显示单元。1602液晶体积小，能固定显示两行各16个字符，采用移位显示模式还可以显示两行各32个字符，本项目第一行显示“Alcohol CON：”，第二行显示“xxx mg/100ml”。如果将第一阈值阈值设置为20mg/100ml，第二阈值设置为80mg/100ml，那么测试值大于等于20mg/100ml，小于80mg/100ml，第二行显示数值会以1Hz频率闪烁，并开启蜂鸣器和报警灯以相同频率报警；如果数值大于等于80mg/100ml，则数值以10Hz的频率快速闪烁，并开启蜂鸣器和报警灯以相同频率报警。以上警告提示是以国家质量监督检验检疫局早前发布的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》（GB19522－2004）为依据。

2.4 键盘模块

键盘模块主要作用是可以设置阀门值，根据不同场合对酒精浓度的要求进行修改，扩大了本设计的应用范围。一个按键定义为数值加，每按一次数值增加1mg/100ml；另一个为数值减，每按一次数值减少1mg/100ml；第三个按键为数值清零，讲预设的阀门值清零；第四个按键为设置键，用于设置数据确认键。本系统所需按键较少，采用独立式按键电路连接方式。

2.5 锂电池充放电模块

锂电池充电、放电模块采用TP5410来解决，TP5410是一款专为移动电源锂电池充电和升压至恒定5V的电源管理芯片，它可以进行高精度的电压充电和精确调节充电电流，还具有预充、充电状态指示和充电截止等功能。R6是充电电流调节电阻，将它设为680Ω，最大充电电流可以到1A，充、放电电路如图3所示。

图3 锂电池充、放电电路图

本系统耗电部分主要集中在MQ—3传感器检测和蜂鸣器报警期间，最大供电电流不大，实际最大工作电流不足300mA，输出电压在+5V±0.1V。

3 系统软件设计

总体程序流程图如图4所示。系统初始化包括液晶屏初始化、A/D初始化、数据初始化。设定判断阈值主要是根据环境需要设定极限值，系统允许设定三个不同阈值，如果是测试酒驾、醉驾，则设定第一个阈值为20mg/100ml，第二个阈值为80mg/100ml，第三个阈值可以不用设置，系统默认不启用。系统也可以用在其他需要测试酒精浓度的场合，比如食品加工车间、酿酒车间等。声光报警是由一只红色LED和蜂鸣器组成，通过报警声音频率和LED闪烁频率来确定超出规定阈值酒精浓度的高低，绿色LED表示浓度值正常。

在酒精浓度测量过程中，连续多次测量值都会有不同，为了让测量值更加稳定和精确，这里采用多次测量取平均值的办法，系统每隔10ms测量一次数据，将测量到的五次数据做平均处理。

传感器在测量不同浓度酒精溶液时，测试浓度值与电压值之间是非线性关系，为了使处理数据方便，系统将电压值区间分为六段，分别做线性处理，具体映射方式如表5所示。

图4 程序流程图

4 制作与标准化测量

由于考虑到便携性特点，电路板尽量设计为长方形，液晶屏罩在单片机上，吹嘴通过软管接到传感器上，

让气体都能喷到传感器感应头上。配置四种浓度：10mg/100ml、22mg/100ml、48mg/100ml、112mg/100ml，用该系统测试四种容易的浓度值为：9.8、22.1、47.1、106.2，测量最大误差为5.2%。实验表明测量低浓度数值误差较小，高浓度测试数值误差稍大，由于测试环境酒精浓度普遍不高，在低浓度环境测量中精度更高，整体符合系统的应用要求。 由于溶液中酒精易挥发，酒精浓度会比配置值稍低，也会影响测量误差。

表5 电压值-浓度映射关系

5 总结

本系统体积小巧，便于携带，采用锂电池供电，使用成本降低了。充分利用STC增强型51单片机的高性能，让微处理器外围元件减少，增强了系统稳定性。阈值设置灵活，扩大了该系统的使用范围，通用性更强。采用一定的软件优化技术，测量数据更加准确，达到了设计预期。