基於單片機設計的酒精氣體濃度探測儀

2020-11-29 電子產品世界

0 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/308977.htm

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、中國等少數幾個國家能夠生產。半導體型酒精傳感器採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，傳感器電阻值就降低，對酒精具有最高的敏感度。

基於STC12C5A16AD單片機設計的酒精氣體濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，當酒精氣體濃度高於允許限定值時，發出報警。

1 系統結構

系統由數據採集模塊(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;可以大量簡化硬體電路設計。

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;然後和預先設定的表示酒精濃度的閥值進行比較，如果比較結果超過閥值就由單片機P2.3口輸出方波信號控制PNP型三極體VT4驅動蜂鳴器發出報警聲;同時由單片機P2.6口輸出低電平控制發光二極體LED3發出紅光;表示被檢測的人處於醉酒狀態;如果黃燈LED2亮表示被檢測的人處於飲酒狀態;如果綠燈LED3亮表示被檢測的人沒有飲酒。

數據的採集模塊：

2.2 吹氣判斷電路

當沒聲音信號時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。此時綠色指示燈LED2不亮，表示沒吹氣或吹氣無效，此時，單片機P1.3口輸入高電平;編程時P3.1口高電平判斷為：吹氣無效或沒有吹氣。

吹氣時，麥克線圈把音頻信號轉化為低頻脈衝信號，經電容C1耦合、三極體VT1 9013/VT28050工作在放大區，經2次放大，IC555 2腳大於1/3VCC、小於2/3VCC時，接成單穩態的IC555電路翻轉、3腳輸出高電平、綠色LED21導通發光，表示吹氣有效;此時，單片機P1.3口輸入低電平;編程時P1.3口低電平判斷為：吹氣有效。

酒精濃度信號採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，並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分壓以後的電位比較，從1腳輸出整形數位訊號(數字量)。

模/數轉換：由於STC12C5A32AD這個型號的單片機P3口帶有ADC功能，根據酒精濃度和電壓關係圖表，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條控制線由單片機P2.0、P2.1、P2.2控制;連接關係如下：E-P2.0;RW-P2.1;RS-P2.2;液晶顯示器通過3腳上的10K電位器RP3調整;由於P0口結構關係需要外接上拉電阻;用1K的排阻一端接5V，另一端接P0.0～P0.7;單片機採用11.0592MHz晶振頻率;復位電路採用按鍵式復位方案。

2.4 酒精濃度和輸出電壓關係的取得

由無水乙醇和水勾兌、稀釋而成不同濃度的酒精;然後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係(試驗多次，然後取平均值)。電壓與濃度的對應關係如表1所示。

單片機還把濃度和閥值比較，如果超過閥值就通過P2.3口控制三極體VT4(9012)驅動蜂鳴器發出報警聲。通過P2.6/P2.5輸出低電平驅動紅燈LED3亮表示醉酒狀態;LED2黃燈亮表示飲酒狀態;同時單片機把轉換後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分電路。

2.5 閥值設定/調整電路

由單片機和四個按鍵組成。按鍵一端接地，另一端接單片機P3口;P3.5口控制SW4(CANCEL)鍵(當按下時表示處於閥值預設或閥值調整狀態);P3.4口控制SW3(OK)鍵(當按下時表示閥值設定到位);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。

平時沒有鍵按下，P3口處於高電平狀態;當有按鍵按下時，P3口和地線接通被拉成低電平。採用查詢掃描方式，循環檢測。如果沒有按鍵按下，檢測結果都是高電平;如果檢測到低電平時，表示有鍵按下。當檢測到P3.5口是低電平時，表示SW4按下處於閥值預設定狀態，此時，每按一次SW1(UP)鍵，閥值加一。達到20mg(或80mg)時，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：採用道路交通安全法中的規定;即大於20mg小於80mg，判斷為飲酒狀態;大於80mg判斷為醉酒狀態。

2.6 閥值存儲電路

採用電可擦寫可編程只讀存儲器AT24C24來保存酒精濃度閥值數據。圖中PRE、E1和E2為晶片的地址引腳，一般接地即可。SCL和SDA為AT24C04和單片機IIC通信的串行控制時鐘線和數據線。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「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，當測量值大於閾值時，蜂鳴器報警;當超過閥值(20mg、80mg)時，單片機從P2.3口輸出方波信號，控制三極體VT1導通/截止交替變化，驅動蜂鳴器發聲。

如果20mg/100ml酒精含量80mg/100ml，則單片機P2.5口輸出低電平驅動發光二極體發光，黃燈閃爍，表示飲酒狀態。

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發光二極體閃爍，紅燈表示醉酒狀態。

3 設計製作印刷電路板

Protel Dxp 2004是目前網絡上功能最強大、最專業的PCB線路板設計軟體，軟體具有豐富的設計功能，能進行原理圖的設計、印製電路板的設計、新增加了自動布線功能、原理圖仿真功能。把各個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。

設計過程中設計了自己的元件庫，自製了4個元件(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。採用雙面板方案，電子元件選用非貼片，元件封裝採用THT技術，電路布局按功能分區布設，雙面覆銅;PCB板採用方型;集成電路採用DIP技術;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 軟體設計

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行酒精氣體濃度檢測，超過規定閥值時能夠聲光報警，實現了預期設計要求。

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