基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精氣體濃度探測(cè)儀

0 引言

設(shè)計(jì)要求：1)能夠檢測(cè)酒精濃度;2)能夠預(yù)先設(shè)定閥值;3)閥值能夠再調(diào)整;4)超過(guò)閥值能夠聲光報(bào)警;5)顯示酒精濃度值;6)能夠判斷是否吹氣和吹氣是否有效。

呼氣酒精濃度測(cè)試常用的方法有燃料電池型(電化學(xué)型)和半導(dǎo)體型兩種。燃料電池酒精傳感器只有美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠生產(chǎn)。半導(dǎo)體型酒精傳感器采用具有氣敏特性的氧化錫半導(dǎo)體作為傳感器，當(dāng)氣體中酒精濃度增加時(shí)，傳感器電阻值就降低，對(duì)酒精具有最高的敏感度。

基于STC12C5A16AD單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精氣體濃度探測(cè)儀，可用來(lái)檢測(cè)酒精氣體濃度，當(dāng)酒精氣體濃度高于允許限定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊(包括吹氣判斷電路、MQ-3酒精氣體濃度傳感器電路、信號(hào)調(diào)整電路組成);單片機(jī)控制模塊(包括STC12C5A32AD型單片機(jī)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分、閥值比較電路、液晶顯示器電路、晶振電路、復(fù)位電路組成);閥值電路模塊(包括閥值預(yù)設(shè)定電路、閥值調(diào)整電路、閥值存儲(chǔ)電路、過(guò)閥聲/光報(bào)警等分電路組成)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

STC12C5A32AD這款單片機(jī)自身帶有8路ADCP1.0-P1.7口模數(shù)轉(zhuǎn)換功能;可以大量簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。

2 電路設(shè)計(jì)思路

2.1 酒精濃度檢測(cè)儀電路

由酒精氣體濃度傳感器MQ-3負(fù)責(zé)檢測(cè)空氣中的酒精氣體濃度;由單片機(jī)內(nèi)部自帶的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把檢測(cè)到的模擬量(表示酒精濃度)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;然后和預(yù)先設(shè)定的表示酒精濃度的閥值進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果超過(guò)閥值就由單片機(jī)P2.3口輸出方波信號(hào)控制PNP型三極管VT4驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲;同時(shí)由單片機(jī)P2.6口輸出低電平控制發(fā)光二極管LED3發(fā)出紅光;表示被檢測(cè)的人處于醉酒狀態(tài);如果黃燈LED2亮表示被檢測(cè)的人處于飲酒狀態(tài);如果綠燈LED3亮表示被檢測(cè)的人沒(méi)有飲酒。

數(shù)據(jù)的采集模塊：

2.2 吹氣判斷電路

當(dāng)沒(méi)聲音信號(hào)時(shí)VT1飽和導(dǎo)通，其集電極為低電平，VT2因反偏截止，IC1 555“2”腳為高電平，IC1 555“3”腳輸出低電平，VT3截止，信號(hào)輸出端VOUT輸出高電平。此時(shí)綠色指示燈LED2不亮，表示沒(méi)吹氣或吹氣無(wú)效，此時(shí)，單片機(jī)P1.3口輸入高電平;編程時(shí)P3.1口高電平判斷為：吹氣無(wú)效或沒(méi)有吹氣。

吹氣時(shí)，麥克線圈把音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻脈沖信號(hào)，經(jīng)電容C1耦合、三極管VT1 9013/VT28050工作在放大區(qū)，經(jīng)2次放大，IC555 2腳大于1/3VCC、小于2/3VCC時(shí)，接成單穩(wěn)態(tài)的IC555電路翻轉(zhuǎn)、3腳輸出高電平、綠色LED21導(dǎo)通發(fā)光，表示吹氣有效;此時(shí)，單片機(jī)P1.3口輸入低電平;編程時(shí)P1.3口低電平判斷為：吹氣有效。

酒精濃度信號(hào)采集電路及信號(hào)調(diào)整電路：MQ-3酒精氣體濃度傳感器檢測(cè)到空氣中的酒精濃度，并且把濃度轉(zhuǎn)換成電壓輸出(模擬量AOUT送到單片機(jī)的P1.7口);傳感器輸出的信號(hào)輸入運(yùn)算放大器LM393的2腳，與3腳RP2分壓以后的電位比較，從1腳輸出整形數(shù)字信號(hào)(數(shù)字量)。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換：由于STC12C5A32AD這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)P3口帶有ADC功能，根據(jù)酒精濃度和電壓關(guān)系圖表，可以把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供CPU處理。調(diào)節(jié)電位器Rp改變輸出的靈敏度。

2.3 單片機(jī)模塊

單片機(jī)和液晶顯示器LCD1602接口、及晶振、復(fù)位電路如圖3所示。液晶顯示器選用LCD1602來(lái)顯示酒精濃度值;LCD1602掛在單片機(jī)P0口上，液晶顯示器的8位數(shù)據(jù)線P0.0～P0.7和單片機(jī)P0口的8位P0.0～P0.7一一對(duì)應(yīng)連接;LCD1602的3條控制線由單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2控制;連接關(guān)系如下：E-P2.0;RW-P2.1;RS-P2.2;液晶顯示器通過(guò)3腳上的10K電位器RP3調(diào)整;由于P0口結(jié)構(gòu)關(guān)系需要外接上拉電阻;用1K的排阻一端接5V，另一端接P0.0～P0.7;單片機(jī)采用11.0592MHz晶振頻率;復(fù)位電路采用按鍵式復(fù)位方案。

2.4 酒精濃度和輸出電壓關(guān)系的取得

由無(wú)水乙醇和水勾兌、稀釋而成不同濃度的酒精;然后分別用不同濃度的酒精慢慢靠近MQ-3酒精氣體濃度傳感器，從電壓表讀出電壓值;建立模型(圖表)，找出電壓和濃度的關(guān)系(試驗(yàn)多次，然后取平均值)。電壓與濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

單片機(jī)還把濃度和閥值比較，如果超過(guò)閥值就通過(guò)P2.3口控制三極管VT4(9012)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。通過(guò)P2.6/P2.5輸出低電平驅(qū)動(dòng)紅燈LED3亮表示醉酒狀態(tài);LED2黃燈亮表示飲酒狀態(tài);同時(shí)單片機(jī)把轉(zhuǎn)換后的酒精濃度數(shù)據(jù)送到液晶顯示器上顯示;單片機(jī)負(fù)責(zé)控制各個(gè)分電路。

2.5 閥值設(shè)定/調(diào)整電路

由單片機(jī)和四個(gè)按鍵組成。按鍵一端接地，另一端接單片機(jī)P3口;P3.5口控制SW4(CANCEL)鍵(當(dāng)按下時(shí)表示處于閥值預(yù)設(shè)或閥值調(diào)整狀態(tài));P3.4口控制SW3(OK)鍵(當(dāng)按下時(shí)表示閥值設(shè)定到位);P3.1口控制SW2(Down)鍵，每按一次，閥值減一;P3.0口控制SW1(UP)鍵，每按一次，閥值加一。如圖4所示。

平時(shí)沒(méi)有鍵按下，P3口處于高電平狀態(tài);當(dāng)有按鍵按下時(shí)，P3口和地線接通被拉成低電平。采用查詢掃描方式，循環(huán)檢測(cè)。如果沒(méi)有按鍵按下，檢測(cè)結(jié)果都是高電平;如果檢測(cè)到低電平時(shí)，表示有鍵按下。當(dāng)檢測(cè)到P3.5口是低電平時(shí)，表示SW4按下處于閥值預(yù)設(shè)定狀態(tài)，此時(shí)，每按一次SW1(UP)鍵，閥值加一。達(dá)到20mg(或80mg)時(shí)，請(qǐng)按下SW3(OK)鍵，表示固定閥值。如果按下SW2(Down)，閥值減一。

表示酒精濃度的閥值取得：采用道路交通安全法中的規(guī)定;即大于20mg小于80mg，判斷為飲酒狀態(tài);大于80mg判斷為醉酒狀態(tài)。

2.6 閥值存儲(chǔ)電路

采用電可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器AT24C24來(lái)保存酒精濃度閥值數(shù)據(jù)。圖中PRE、E1和E2為芯片的地址引腳，一般接地即可。SCL和SDA為AT24C04和單片機(jī)IIC通信的串行控制時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。SCL連P1.0，SDA連P1.1。閥值數(shù)據(jù)很重要，是處罰的依據(jù)，必須保存好以備查和解決爭(zhēng)議;AT24C24內(nèi)部有E2PROM可保存數(shù)據(jù)100年，掉電數(shù)據(jù)不丟失，最適合。

閥值設(shè)定/調(diào)整：通過(guò)“增加”、“減少”按鍵調(diào)節(jié)。

2.7 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路如圖5所示。

單片機(jī)將酒精濃度的測(cè)量值與事先設(shè)定的閾值相比較，當(dāng)測(cè)量值大于閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警;當(dāng)超過(guò)閥值(20mg、80mg)時(shí)，單片機(jī)從P2.3口輸出方波信號(hào)，控制三極管VT1導(dǎo)通/截止交替變化，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。

如果20mg/100ml酒精含量80mg/100ml，則單片機(jī)P2.5口輸出低電平驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光，黃燈閃爍，表示飲酒狀態(tài)。

如果酒精含量>80mg/100ml，則紅燈閃爍，單片機(jī)P2.6口輸出方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管閃爍，紅燈表示醉酒狀態(tài)。

3 設(shè)計(jì)制作印刷電路板

Protel Dxp 2004是目前網(wǎng)絡(luò)上功能最強(qiáng)大、最專業(yè)的PCB線路板設(shè)計(jì)軟件，軟件具有豐富的設(shè)計(jì)功能，能進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)、印制電路板的設(shè)計(jì)、新增加了自動(dòng)布線功能、原理圖仿真功能。把各個(gè)分電路集成就形成了酒精濃度檢測(cè)儀完整電路原理圖。如圖6所示。

設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)了自己的元件庫(kù)，自制了4個(gè)元件(LCD1602、MQ-3、STC12C5A32AD、LED);設(shè)計(jì)了自己的封裝庫(kù)(LCD1602、MQ-3、STC12 C5A32AD)。

為符合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了酒精濃度檢測(cè)儀電路印刷電路板。采用雙面板方案，電子元件選用非貼片，元件封裝采用THT技術(shù)，電路布局按功能分區(qū)布設(shè)，雙面覆銅;PCB板采用方型;集成電路采用DIP技術(shù);按要求設(shè)計(jì)的酒精濃度檢測(cè)儀電路印刷電路板圖如圖7所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖8所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)能夠?qū)θ梭w呼出氣體進(jìn)行酒精氣體濃度檢測(cè)，超過(guò)規(guī)定閥值時(shí)能夠聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。