基于單片機設計的酒精氣體濃度探測儀

0 引言

設計要求：1)能夠檢測酒精濃度;2)能夠預先設定閥值;3)閥值能夠再調整;4)超過(guò)閥值能夠聲光報警;5)顯示酒精濃度值;6)能夠判斷是否吹氣和吹氣是否有效。

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

基于STC12C5A16AD單片機設計的酒精氣體濃度探測儀，可用來(lái)檢測酒精氣體濃度，當酒精氣體濃度高于允許限定值時(shí)，發(fā)出報警。

1 系統結構

系統由數據采集模塊(包括吹氣判斷電路、MQ-3酒精氣體濃度傳感器電路、信號調整電路組成);單片機控制模塊(包括STC12C5A32AD型單片機、模/數轉換部分、閥值比較電路、液晶顯示器電路、晶振電路、復位電路組成);閥值電路模塊(包括閥值預設定電路、閥值調整電路、閥值存儲電路、過(guò)閥聲/光報警等分電路組成)。系統結構框圖如圖1所示。

STC12C5A32AD這款單片機自身帶有8路ADCP1.0-P1.7口模數轉換功能;可以大量簡(jiǎn)化硬件電路設計。

2 電路設計思路

2.1 酒精濃度檢測儀電路

由酒精氣體濃度傳感器MQ-3負責檢測空氣中的酒精氣體濃度;由單片機內部自帶的模/數轉換器把檢測到的模擬量(表示酒精濃度)的電壓信號轉換成數字量;然后和預先設定的表示酒精濃度的閥值進(jìn)行比較，如果比較結果超過(guò)閥值就由單片機P2.3口輸出方波信號控制PNP型三極管VT4驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報警聲;同時(shí)由單片機P2.6口輸出低電平控制發(fā)光二極管LED3發(fā)出紅光;表示被檢測的人處于醉酒狀態(tài);如果黃燈LED2亮表示被檢測的人處于飲酒狀態(tài);如果綠燈LED3亮表示被檢測的人沒(méi)有飲酒。

數據的采集模塊：

2.2 吹氣判斷電路

當沒(méi)聲音信號時(shí)VT1飽和導通，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(xiàn)圈把音頻信號轉化為低頻脈沖信號，經(jīng)電容C1耦合、三極管VT1 9013/VT28050工作在放大區，經(jīng)2次放大，IC555 2腳大于1/3VCC、小于2/3VCC時(shí)，接成單穩態(tài)的IC555電路翻轉、3腳輸出高電平、綠色LED21導通發(fā)光，表示吹氣有效;此時(shí)，單片機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。

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

模/數轉換：由于STC12C5A32AD這個(gè)型號的單片機P3口帶有ADC功能，根據酒精濃度和電壓關(guān)系圖表，可以把模擬量轉換為數字量，供CPU處理。調節電位器Rp改變輸出的靈敏度。

2.3 單片機模塊

單片機和液晶顯示器LCD1602接口、及晶振、復位電路如圖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P0口上，液晶顯示器的8位數據線(xiàn)P0.0～P0.7和單片機P0口的8位P0.0～P0.7一一對應連接;LCD1602的3條控制線(xiàn)由單片機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調整;由于P0口結構關(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;單片機采用11.0592MHz晶振頻率;復位電路采用按鍵式復位方案。

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(試驗多次，然后取平均值)。電壓與濃度的對應關(guān)系如表1所示。

單片機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)驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報警聲。通過(guò)P2.6/P2.5輸出低電平驅動(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)單片機把轉換后的酒精濃度數據送到液晶顯示器上顯示;單片機負責控制各個(gè)分電路。

2.5 閥值設定/調整電路

由單片機和四個(gè)按鍵組成。按鍵一端接地，另一端接單片機P3口;P3.5口控制SW4(CANCEL)鍵(當按下時(shí)表示處于閥值預設或閥值調整狀態(tài));P3.4口控制SW3(OK)鍵(當按下時(shí)表示閥值設定到位);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);當有按鍵按下時(shí)，P3口和地線(xiàn)接通被拉成低電平。采用查詢(xún)掃描方式，循環(huán)檢測。如果沒(méi)有按鍵按下，檢測結果都是高電平;如果檢測到低電平時(shí)，表示有鍵按下。當檢測到P3.5口是低電平時(shí)，表示SW4按下處于閥值預設定狀態(tài)，此時(shí)，每按一次SW1(UP)鍵，閥值加一。達到20mg(或80mg)時(shí)，請按下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 閥值存儲電路

采用電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲器AT24C24來(lái)保存酒精濃度閥值數據。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IIC通信的串行控制時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)。SCL連P1.0，SDA連P1.1。閥值數據很重要，是處罰的依據，必須保存好以備查和解決爭議;AT24C24內部有E2PROM可保存數據100年，掉電數據不丟失，最適合。

閥值設定/調整：通過(guò)“增加”、“減少”按鍵調節。

2.7 聲光報警電路

聲光報警電路如圖5所示。

單片機將酒精濃度的測量值與事先設定的閾值相比較，當測量值大于閾值時(shí)，蜂鳴器報警;當超過(guò)閥值(20mg、80mg)時(shí)，單片機從P2.3口輸出方波信號，控制三極管VT1導通/截止交替變化，驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。

如果20mg/100ml酒精含量80mg/100ml，則單片機P2.5口輸出低電平驅動(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P2.6口輸出方波信號驅動(dòng)發(fā)光二極管閃爍，紅燈表示醉酒狀態(tài)。

3 設計制作印刷電路板

Protel Dxp 2004是目前網(wǎng)絡(luò )上功能最強大、最專(zhuān)業(yè)的PCB線(xiàn)路板設計軟件，軟件具有豐富的設計功能，能進(jìn)行原理圖的設計、印制電路板的設計、新增加了自動(dòng)布線(xiàn)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儀完整電路原理圖。如圖6所示。

設計過(guò)程中設計了自己的元件庫，自制了4個(gè)元件(LCD1602、MQ-3、STC12C5A32AD、LED);設計了自己的封裝庫(LCD1602、MQ-3、STC12 C5A32AD)。

為符合設計要求，設計了酒精濃度檢測儀電路印刷電路板。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布設，雙面覆銅;PCB板采用方型;集成電路采用DIP技術(shù);按要求設計的酒精濃度檢測儀電路印刷電路板圖如圖7所示。

4 軟件設計

主程序流程圖如圖8所示。

5 結論

本設計能夠對人體呼出氣體進(jìn)行酒精氣體濃度檢測，超過(guò)規定閥值時(shí)能夠聲光報警，實(shí)現了預期設計要求。