STM32單片機的酒精濃度探測儀設計

摘要：采用具有ARM Cortex—M3內核的STM32F103VET6單片機與ME3-C2H5OH電化學(xué)式氣敏元件實(shí)現了對酒精濃度的測量，通過(guò)TFTLCD對測量數據進(jìn)行顯示，并采用語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音報警提示，從而實(shí)現了對不同濃度酒精的檢測和顯示。設計的特點(diǎn)在于采用斜率和電壓范圍雙重保險來(lái)判斷酒精濃度，提高了檢測的精度，解決了現有酒精傳感器恢復時(shí)間較長(cháng)的問(wèn)題，可應用于酒后駕車(chē)和其他特殊場(chǎng)合的酒精檢測。
關(guān)鍵詞：酒精探測儀；ME3-C2H5OH；STM32；語(yǔ)音模塊；TFTLCD

引言
酒后駕車(chē)是導致交通事故的一個(gè)重要原因，給人們的生活和生命安全帶來(lái)巨大的危害。為了防止機動(dòng)車(chē)輛駕駛人員酒后駕車(chē)，現場(chǎng)實(shí)時(shí)對人體呼氣中酒精含量的檢查已日益受到重視。本系統針對現有酒精傳感器恢復時(shí)間較長(cháng)的問(wèn)題，通過(guò)計算斜率成功地實(shí)現了快速酒精濃度檢測，縮短了檢測間隔時(shí)間，大大提升了酒精檢測的效率。

1 酒精濃度探測儀的整體結構
酒精濃度探測儀由單片機、酒精傳感器、信號調理電路、語(yǔ)音報警模塊、TFTLCD顯示模塊、通信模塊、功放模塊等部分組成，結構框圖如圖1所示。由于語(yǔ)音報警模塊和TFTLCD顯示模塊對于單片機的處理速度和處理數據量要求高，再加上酒精檢測反應速度較快，實(shí)時(shí)性較高，因此采用了ST公司的STM32系列的單片機作為主控端。ME3-C2H5OH電化學(xué)式氣敏元件具有功耗低、精度高、靈敏度高、線(xiàn)性范圍寬、抗干擾能力強、重復性?xún)?yōu)異和穩定性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設計
2．1 單片機及其外圍接口的設計
單片機采用低功耗高速工業(yè)級芯片STM32F103VET6。STM32系列基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專(zhuān)門(mén)設計的ARM Cortex—M3內核，STM32F103為“增強型”系列，時(shí)鐘頻率達到72MHz，具有512 KB ROM、64 KB RAM，普通I／O口為80個(gè)，具有8個(gè)定時(shí)／計數器，3個(gè)SPI、2個(gè)I2C總線(xiàn)、3個(gè)UART、1個(gè)USB、1個(gè)CAN總線(xiàn)等通信端口。具有2個(gè)I2S音頻口、1μs的雙12位ADC、4 Mbps的UART、18Mbps的SPI、18 MHz的I／O翻轉速度，內部集成優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內嵌復位電路等，完全滿(mǎn)足本酒精濃度探測儀的設計需求。
電源電路采用LM2596作為初級電壓轉換芯片，用來(lái)提供5 V電壓給外圍模塊供電，采用AMS-3．3作為末級電壓轉換芯片，用來(lái)提供3．3 V電壓給STM32供電。此芯片的輸出電流可以達到1 A，輸入電壓調節率小于0．2％，負載調節率小于0．4％，輸出電壓穩定。
看門(mén)狗電路采用美國IMP公司生產(chǎn)的系統μP監控芯片IMP706，IMP706能在上電、掉電期間或手動(dòng)情況下產(chǎn)生復位信號，該器件內含有1個(gè)1．6 s的看門(mén)狗定時(shí)器和4．4 V的電源電壓監視器。另外，IMP706還有1個(gè)1．25 V門(mén)限的電源故障報警電路，可用于檢測電池電壓和非5 V的電源。
2．2 酒精傳感器
ME3-C2H5OH型酒精傳感器根據電化學(xué)原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學(xué)氧化過(guò)程，待測氣體電化學(xué)反應所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過(guò)檢測電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。ME3-C2H5OH傳感器檢測處理電路如圖2所示。對被測者呼出氣體中酒精濃度的反應以采樣電阻R1來(lái)獲取采樣電壓，通過(guò)運放負反饋放大電路，對采樣電壓進(jìn)行放大。電路中的RT是熱電阻，用來(lái)抵消溫度漂移，保證恒定的放大系數。放大后的電壓信號送入STM32的ADC中，對經(jīng)過(guò)A／D轉化后的數據進(jìn)行分析處理，最后計算出酒精濃度的大小，從而判斷被測者是否飲酒。判斷結果通過(guò)語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音提示，再通過(guò)LCD顯示濃度值。

圖3酒精傳感器為靈敏度、響應恢復及輸出信號特性圖，圖4為濃度線(xiàn)性特征曲線(xiàn)圖。由圖3和圖4可以看出，ME3-C2H5OH型電化學(xué)元件靈敏度高、響應速度快、零點(diǎn)漂移較小，而且此元件是線(xiàn)性的。因此，采用這類(lèi)電化學(xué)元件來(lái)檢測酒精濃度值精度較高，反應較快。

2．3 語(yǔ)音報警模塊
XF-S4040-CN中文語(yǔ)音合成芯片，是安徽中科大訊飛信息科技有限公司推出的基于InterSound4．6中文語(yǔ)音合成系統而設計的一款全新的中文語(yǔ)音合成芯片。該芯片可以通過(guò)異步串口(UART)及I2C總線(xiàn)接口方式接收命令和待合成的文本，直接合成為語(yǔ)音輸出，主要面向中高端應用領(lǐng)域，提供一套語(yǔ)音合成效果出色、體積極小的語(yǔ)音解決方案。語(yǔ)言合成模塊電路如圖5所示。

XF-S4040-CN中文語(yǔ)音合成芯片針對嵌入式應用領(lǐng)域設計，具有合成任意中文文本及英文字母的能力。該芯片的主要特點(diǎn)是合成語(yǔ)音自然度高，控制接口簡(jiǎn)單方便，可調節功能強大。其操作命令格式如下所示。

基于串口的操作例程如下：


2．4 功放模塊
TDA7266是雙路音頻立體聲放大器，以MULTI—WATT形式封裝，專(zhuān)門(mén)為音樂(lè )設備和彩色電視機的高質(zhì)量音頻放大電路而設計。語(yǔ)音報警模塊輸出的左聲道和右聲道的語(yǔ)音信號通過(guò)電位器進(jìn)入TDA7266放大器中，進(jìn)行語(yǔ)音信號的放大，電位器用來(lái)調節音量大小，放大后輸出兩路音頻信號，將這兩路分別接到兩個(gè)揚聲器上。

TDA7266功放電路簡(jiǎn)單，聲音效果比較好，因此被廣泛應用于高質(zhì)量的音頻放大上。功放模塊電路如圖6所示。
2．5 通信模塊
要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485串行總線(xiàn)，RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收的組合，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線(xiàn)收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200 mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485接口總線(xiàn)上允許連接多達128個(gè)收發(fā)器，即具有多站能力，這樣用戶(hù)可以利用簡(jiǎn)單的RS-485接口方便地建立起設備網(wǎng)絡(luò )。本設計中，正是考慮到酒精濃度探測儀的數據有可能要傳回電腦上位機終端，要求傳輸距離比較遠而且信號失真小，因此選擇RS-485通信。
2．6 TFTLCD顯示模塊
酒精濃度探測儀在使用中，需要顯示酒精濃度值大小、報警信息，同時(shí)還需要輸入酒精濃度報警點(diǎn)預設值，用來(lái)設定酒精濃度報警的范圍。因此，本設計中采用TFTLCD來(lái)顯示酒精濃度值，TFTLCD具有觸摸功能，可用于輸入酒精濃度預設值。
TFTLCD采用了26萬(wàn)色的TFTLCD屏幕，分辨率為320×240，可以實(shí)現友好的人機接口界面顯示。TFTLCD采用了Ilitek公司生產(chǎn)的ILI9320，它可以通過(guò)多種并行通信方式與單片機通信。TFTLCD屏幕自帶電阻式觸摸屏，利用壓力感應進(jìn)行控制，采用TI公司生產(chǎn)的ADS7846作為觸摸屏控制芯片。ADS7846內部集成了12位逐次逼近型A／D轉換器，轉換頻率為125 kHz。使用時(shí)，ADS7846通過(guò)兩次A／D轉換得到觸點(diǎn)位置的X、Y
坐標，通過(guò)SPI總線(xiàn)與STM32通信，完成控制信息的輸入。

3 軟件設計
3．1 總體軟件設計方案
系統初始化完畢后，首先采集酒精濃度傳感器的值，采用do…while()等待傳感器初始化，直到最佳狀態(tài)，否則就一直等待。傳感器初始化完成之后，就開(kāi)始進(jìn)入循環(huán)檢測模式，當有人吹氣時(shí)，可根據斜率的變化范圍檢測到，然后判斷其是否喝酒。當檢測到酒精氣體時(shí)，傳感器的電導率將會(huì )隨著(zhù)氣體濃度的增大而增大，導致與傳感器連接的分壓電阻的電壓增大，單片機A／D接口的第7個(gè)通道將會(huì )采集此電壓。當電壓值增大到一定程度，即酒精濃度達到設定的值時(shí)，就會(huì )將標志位置為喝酒狀態(tài)；如果電壓降低，即酒精濃度為零，此時(shí)標志位置為正常狀態(tài)。根據以上兩種不同狀態(tài)，蜂鳴器、語(yǔ)音模塊以及LED指示燈進(jìn)行不同的報警。單片機不停地進(jìn)行定時(shí)的A／D轉換，在轉換結束中斷中進(jìn)行濾波、比較，兩次A／D測量值的差值既是電壓的變化率，也就是所需要的斜率值，將此值與之前設定的斜率范圍值進(jìn)行比較，從而也可以判斷出被測者是否飲酒。LCD會(huì )一直將采集到的值進(jìn)行濾波和取均值后的值進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。
3．2 斜率算法設計
斜率算法的設計中主要使用到了單片機的定時(shí)A／D轉換資源，根據前文所述，需要計算電壓變換的斜率，即電壓在一定時(shí)間內的變化范圍，使用定時(shí)A／D轉換功能可輕易地實(shí)現這一需求。

圖7為A／D轉換中斷程序流程圖，在主程序中只要根據此中斷設置的標志位即可作出相應的操作，比如語(yǔ)音播放的控制、蜂鳴器報警、LED燈的閃爍等。

結語(yǔ)
本文詳細介紹了基于STM32的酒精濃度探測儀設計方法。該探測儀具有高精度、高靈敏度、友好的人機交互、智能化的語(yǔ)音報警、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，可適用于各種需要對人體酒精含量進(jìn)行檢測的場(chǎng)合，尤其適用于酒后駕車(chē)的檢測，具有廣闊的應用前景。