基于单片机的酒精浓度测试系统的设计

彭闯 杨应文 杨优

（广西民族师范学院 广西壮族自治区崇左市 532200）

人类酿酒的历史约始于公元前7000年的新石器时代，那时候的人们就掌握酿酒技术，开始了酒的酿造与制造酒精之路。酒精为人类带来了丰富的酒文化，也带来了许多的事故，从古至今都有许多人因为醉酒而误事，也有因为醉酒而亡的。

自改革开放以来，中国经济快速发展，国民生产总值飞跃至世界第二，人民财富得以保存，发达的交通与漫天的广告引诱着有存款的人民购买私家车，而随着上路车辆增多，中国的酒桌文化的逐渐普及，导致因为醉酒而造成的交通事故频繁发生，严重危害人们的生命安全。在这种情况下，我国将酒驾醉酒纳入刑法。为了较好的实施法律，需要大量的优质酒精测试仪。今天市场上的存在的酒精测试仪多种多样，鱼龙混杂，价格和性能都大不相同，所以需设计一款性价比高，便携的酒精测试仪，来满足有需求的人民与交警部门对于检测车辆驾驶人是否饮酒并且程度如何的要求，保障人民利益与维护我国的交通治安管理。

1 酒精测试系统原理及功能

酒精浓度测试系统是以STC12C5A16AD单片机作为控制主体，来控制整个系统的运行，搭配上附加的一系列辅助电路，最终构成一个测试系统的整体；硬件部分通过 Altium designer 软件画出相关硬件部分，将各个硬件部分连线起来制作出 PCB 图。仿真部分通过软件来调用事先已画好的原理图，挑选出原理图中的单片机，将写好的.hex程序文件载入，然后打开电源观察结果，如果发现问题则针对问题修改。软件部分采用 Keil μVision 应用程序写入能够控制主控芯片及相关电路的程序；在特定构建的外围电路的连接下，通过可输入键盘在酒精测试仪上面输入需要设置的数据，方便控制声光报警电路的响应阈值，蜂鸣器和红色信号灯的响应；测量得出的气体酒精浓度值，与人体血液中含有的酒精浓度有一定关联，可以通过条件转换得出血液酒精浓度，进而判断驾驶人是否酒驾醉驾，得出的数值最后通过LCD1602液晶显示屏来显示。系统电路中接收气体的传感器使用的是MQ-3气敏传感器，MQ-3传感器能够将气体中的酒精信号转化为电子信号，并准确的检测出气体酒精浓度值。另外，该系统采用LCD1602液晶显示屏和键盘，可以输出单位的酒精含量，可以进行人机互动，用户界面友好，操作简单。本发明的酒精含量检测仪可以通过按键来改变设置的酒精阈值，用户可以根据自己的需要或者相关的法律法规来调整其醉酒阈值，并将设定好的醉酒阈值保存，重新上电使用时不会消失，具有较高的实际应用价值。

2 硬件电路设计

完整的硬件系统原理如图1所示。本系统由几大部分组成，分别为：包括以单片机STC12C5A16AD为核心的控制部分，传感器部分、键盘输入和 LCD1602液晶显示部分、声光报警电路部分。设计的酒精测试系统，硬件电路中的气体采集部分采用高精准度，高灵敏度的MQ-3传感器来收集气体，并测量出含有的酒精浓度，检测过程方便快捷，拥有较高的可靠性高且反应迅速。

图1：硬件系统原理图

2.1 单片机及其附加电路

图2所示为设计的单片机系统。在该单片机的系统中，都包含了晶振、电容、电源等设备，这些设备在单片机的正常工作中是不可或缺的。本系统采用STC12C5A16AD这么一款高性能、廉价的单片机，属于增强型51单片机，是单时钟/机器周期(1T)单片机，是经过一系列收集的资料和准备选用的可靠硬件电路，该单片机自带八路10位精度的A/D转换，比一般的51单片机多一个A/D转换功能，这意味着可以不用再需要加外置AD转换芯片，这就是这款单片机的优点。所以当采用该单片机作为酒精浓度测量系统时核心电路时，在实现扩展AD转换芯片,PWM等其他功能时，可以适当减少设计的外围电路，简化过程，减少工作量。

图2：单片机系统

2.2 传感器的选用

此电路设计的酒精传感器采用的MQ-3传感器，这是当前市面上使用最广泛，也是最可靠，最优秀的一类酒精转换器。这款传感器的优点有：使用寿命长，检测稳定可靠，对乙醇蒸汽具有高度的灵敏度以及特定的识别，响应时间快以及恢复时间快速等等。在硬件电路中，电路所用的 MQ-3传感器对酒精气体十分敏感，能够将检测到的酒精气体信号转化为电信号输出，系统能根据检测到的电信号电压强弱来分析，能够准确测量出气体中含有的酒精浓度值；MQ-3传感器还可用于多种环境的气体中的酒精浓度含量的检测，适应能力强，可用范围广。

本设计输入电压采用的是十分符合MQ-3气敏传感器的5V电压，使得该传感器能够稳定的工作。电路所用的 MQ-3传感器中的气敏元件一般固定在腔体内部，其中的加热器为传感器提供了工作所需的必要条件，所以电路通电时MQ-3传感器会发热，电路通电时注意不要长时间触摸传感器，小心烫伤；MQ-3传感器电阻的变化与气体温度,工作的环境，以及酒精浓度息息相关，为了最大限度地减少测得的气体酒精浓度值的误差。因此，对传感器进行预热，是检测气体前的必要工作，并且大致需要预热5分钟左右。这样检测低浓度含钠精气体时误差小，最大误差仅为8.2%左右，符合设计的要求。

传感电路选用了两个不同颜色的 LED 信号指示灯，其中黄色指示灯是 MQ-3 传感器直接输出的模拟报警信号，其阈值通过调节 MQ-3 传感器模块上的蓝色电位器改变，作用是检测我们使用的传感器的好坏，调整电位器的旋钮就可以改变 MQ-3传感器的灵敏度，一般情况下不会随意去改变传感器灵敏度，当电路检测出现问题时，则需要通过调整电位器查看电路中黄色指示灯是否会亮，来判断是否是MQ-3 传感器损坏。

图3：整体程序流程图

2.3 供电系统与下载存储电路

系统采用的供电系统是依靠USB供电，这样优点是能够方便的使用且使得接口标准化，更加实用。程序下载电路采用STC-IS下载方式下载，利用MAX3232设计硬件下载电路，MAX232芯片将RS232信号转换为TTL电平，如此设计的好处是：既使得单片机的通讯电路更加简单，方便设计，也能够使下载程序更加便捷，大大的增强了实用性和普遍性。

存储电路中存储芯片采用AT24C04芯片,以 AT24C04 芯片设计的存储电路是比较常用的单片机外围存储电路。系统会将在软件编写设定的醉酒阈值保存在EEPROM芯片AT24C04中,AT24C04 芯片属于是IIC接口的EEPROM芯片，可以用来保存数据，并且在突然电路突然掉电时完好的保存数据。

2.4 复位电路

复位电路的用途：围绕单片机系统设计的复位电路，类似于电脑主机部分的重启功能，比如在电脑使用过程中出现死机或者蓝屏的意外情况，就能通过按下主机的重启按钮，让电脑重新启动。以STC12C5A16AD单片机为核心设计的电路也类似如此，其还与供电系统有关，当系统在运行中，受到干扰或者发生故障时，按下整个电路的电源开关按钮，重新让单片机断电上电，重启电路，让整个系统的内部程序重新执行，这里设计的复位电路采用高电平复位，即在给电路重新通电断电时进行复位操作。

2.5 声光报警电路

声光报警电路是电路设计中常用的电路。声光报警电路是酒精测试仪中的重要的输出部分，它采用有源蜂鸣器报警与红色LED灯提示，当被检测气体通过MQ-3传感器进入，转换为酒精气体信号，酒精气体信号经过信号调理电路处理后，会输出相应电压信号，输出的电压信号会在被检测气体中酒精浓度变化时一同变化，然后将输出的电压信号送入STC12C5A16AD单片机系统处理，由单片机附带的A/D转换功能转换后，输出相应的被检测气体的酒精浓度值，与设定好的醉酒阈值相比较，来确定电路中LED红灯是否亮起，蜂鸣器是否发出报警声。

2.6 键盘输入和液晶显示部分

键盘和液晶显示器是系统的输入输出部分，根据不同的情况我们可以用键盘输入控制修改不同的阈值，使其实用性大大提高，而液晶显示屏可以将所测环境的酒精浓度数值准确的显示出来，每个人能够简单方便的操作该酒精测试仪。

键盘输入模块主要设定阈值功能键，通过按键调试阈值增加，减小以及确认保存数据四个功能键来操控设定酒精测试仪的报警阈值。在使用阈值功能改变原

先软件程序中设定好的阈值时，其相应单片机I/O口的引脚电平会由高电平转变为低电平，并且此时液晶显示屏会显示出设置好的当前阈值，可以根据各种不同需求，去调整阈值增加、减小功能键来设定需要的阈值，达到各种目的。

液晶显示模块能够将并且能够将测试环境的酒精浓度和键盘设定好的阈值直观的显示出来并进行比较，在电路中液晶显示模块部分选用的是LCD1602液晶显示屏，该液晶显示屏能够在检测气体中的酒精浓度含量时，输出准确、有单位的气体酒精浓度值。

3 程序调试

如3所示为总体程序流程图。当系统开始工作，会对液晶显示屏、定时器、单片机接口等数据端口进行初始化，然后系统会读取在软件编程中事先设定好的初始阈值。被检测气体在通过MQ-3传感器时，会被检测出其中含有的酒精浓度含量，使得出的酒精浓度值在LCD液晶显示屏上显示出来，并将检测出来的气体酒精浓度值与在软件程序上设定好的酒精浓度阈值进行比较，当检测出的气体酒精浓度大于设定的醉酒阈值时，声光报警电路会亮起红灯并且蜂鸣器发出报警，反之则红灯不会亮，且蜂鸣器不报警。还可以通过“增加”，“减少”阈值的两个按键来调节系统的报警值的大小，来调整报警范围。

4 成品展示

设计的成品如图 4 所示。设计完成后，需要用仿真和万用表来检测电路是否可行，还需检测电路上电时的电压是否在5V左右，是否符合设计。电路检测没有问题后，给单片机加载程序，接通电源，将传感器预热一段时间，此时就可以检测气体。整体检测流程为：酒精测试电路通电后，向右打开报警开关，此时外界气体通过传感器被检测到，检测出的气体酒精浓度超过设定好的醉酒阈值时，报警电路中的红色LED灯会亮起，蜂鸣器就会发出刺耳的蜂鸣报警声，本设计的酒精阈值设为 80mg/L，符合国际酒驾的标准，不同的用户可以根据自己的需求，按下方两个按键进行加减调节阈值大小。

图4：成品实物图

5 总结

本设计主要针对驾驶人饮酒的问题的探讨，酒有两面性，少量适当饮酒有益身心健康，过度饮酒，甚至于酒后驾车则属于不对自身负责，危害社会的行为，针对此类现像，设计一款好的，便宜、功能多样、且易推广酒精测试仪的出现是必要的，也是必然的。

设计好的酒精测试仪，经过相关一系列的上电，检测气体酒精浓度测试调试后，预先设计好要实现的基本功能都已实现。该酒精测试仪也许在后期出现更合适的单片机时还会有更大的开发空间，设计出一款更加的便宜便携的酒精测试仪，如果不考虑便宜的价格，后续该电路还能增加一些其他功能，比如说在声光报警的基础上增加语音播报功能等，让该酒精测试仪更加人性化，反应更加快速准确，做到不断能够满足社会的所需，这都是需要不断去努力追求实现的。