STM32單片機的酒精濃度探測儀設計※

秦 嶺

（西安鐵路局 西安電務器材廠 科研所，西安 710054）

引 言

酒后駕車是導致交通事故的一個重要原因，給人們的生活和生命安全帶來巨大的危害。為了防止機動車輛駕駛人員酒后駕車，現場實時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間較長的問題，通過計算斜率成功地實現了快速酒精濃度檢測，縮短了檢測間隔時間，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，實時性較高，因此采用了ST公司的STM32系列的單片機作為主控端。ME3－C2H5OH電化學式氣敏元件具有功耗低、精度高、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強、重復性優異和穩定性高等優點。

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級芯片STM32F103VET6。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex－M3內核，STM32F103為“增強型”系列，時鐘頻率達到72 MHz，具有512KB ROM、64KB RAM，普通I／O口為80個，具有8個定時／計數器，3個SPI、2個I2C總線、3個UART、1個USB、1個CAN總線等通信端口。具有2個I2S音頻口、1μs的雙12位 ADC、4Mbps的 UART、18 Mbps的SPI、18MHz的I／O翻轉速度，內部集成優異的安全時鐘模式、帶喚醒功能的低功耗模式、內部RC振蕩器、內嵌復位電路等，完全滿足本酒精濃度探測儀的設計需求。

圖1 酒精濃度探測儀結構框圖

電源電路采用LM2596作為初級電壓轉換芯片，用來提供5V電壓給外圍模塊供電，采用AMS－3.3作為末級電壓轉換芯片，用來提供3.3V電壓給STM32供電。此芯片的輸出電流可以達到1A，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。

看門狗電路采用美國IMP公司生產的系統μP監控芯片IMP706，IMP706能在上電、掉電期間或手動情況下產生復位信號，該器件內含有1個1.6s的看門狗定時器和4.4V的電源電壓監視器。另外，IMP706還有1個1.25V門限的電源故障報警電路，可用于檢測電池電壓和非5V的電源。

2.2 酒精傳感器

ME3－C2H5OH型酒精傳感器根據電化學原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極電位上的電化學氧化過程，待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過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來獲取采樣電壓，通過運放負反饋放大電路，對采樣電壓進行放大。電路中的RT是熱電阻，用來抵消溫度漂移，保證恒定的放大系數。放大后的電壓信號送入STM32的ADC中，對經過A／D轉化后的數據進行分析處理，最后計算出酒精濃度的大小，從而判斷被測者是否飲酒。判斷結果通過語音芯片進行語音提示，再通過LCD顯示濃度值。

圖2 酒精傳感器信號調理電路圖

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為濃度線性特征曲線圖。由圖3和圖4可以看出，ME3－C2H5OH型電化學元件靈敏度高、響應速度快、零點漂移較小，而且此元件是線性的。因此，采用這類電化學元件來檢測酒精濃度值精度較高，反應較快。

2.3 語音報警模塊

圖3 靈敏度、響應恢復及輸出信號特性圖

圖4 濃度線性特征曲線圖

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

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

幀頭 數據區長度 數據區0xFD 高字節 低字節 命令字 文本編碼格式 待合成文本0xHH 0xLL 0x01 0x00～0x03…

基于串口的操作例程如下：

圖5 語音報警模塊電路圖

2.4 功放模塊

TDA7266是雙路音頻立體聲放大器，以 MULTIWATT形式封裝，專門為音樂設備和彩色電視機的高質量音頻放大電路而設計。語音報警模塊輸出的左聲道和右聲道的語音信號通過電位器進入TDA7266放大器中，進行語音信號的放大，電位器用來調節音量大小，放大后輸出兩路音頻信號，將這兩路分別接到兩個揚聲器上。TDA7266功放電路簡單，聲音效果比較好，因此被廣泛應用于高質量的音頻放大上。功放模塊電路如圖6所示。

圖6 功放模塊電路圖

2.5 通信模塊

要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS－485串行總線，RS－485采用平衡發送和差分接收的組合，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS－485接口總線上允許連接多達128個收發器，即具有多站能力，這樣用戶可以利用簡單的RS－485接口方便地建立起設備網絡。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，同時還需要輸入酒精濃度報警點預設值，用來設定酒精濃度報警的范圍。因此，本設計中采用TFTLCD來顯示酒精濃度值，TFTLCD具有觸摸功能，可用于輸入酒精濃度預設值。

TFTLCD采用了26萬色的TFTLCD屏幕，分辨率為320×240，可以實現友好的人機接口界面顯示。TFTLCD采用了Ilitek公司生產的ILI9320，它可以通過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，利用壓力感應進行控制，采用TI公司生產的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125kHz。使用時，ADS7846通過兩次A／D轉換得到觸點位置的X、Y坐標，通過SPI總線與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，否則就一直等待。傳感器初始化完成之后，就開始進入循環檢測模式，當有人吹氣時，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，傳感器的電導率將會隨著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個通道將會采集此電壓。當電壓值增大到一定程度，即酒精濃度達到設定的值時，就會將標志位置為喝酒狀態；如果電壓降低，即酒精濃度為零，此時標志位置為正常狀態。根據以上兩種不同狀態，蜂鳴器、語音模塊以及LED指示燈進行不同的報警。單片機不停地進行定時的A／D轉換，在轉換結束中斷中進行濾波、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行比較，從而也可以判斷出被測者是否飲酒。LCD會一直將采集到的值進行濾波和取均值后的值進行動態顯示。

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，即電壓在一定時間內的變化范圍，使用定時A／D轉換功能可輕易地實現這一需求。

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，比如語音播放的控制、蜂鳴器報警、LED燈的閃爍等。

結 語

圖7 A／D轉換中斷程序流程圖

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、智能化的語音報警、攜帶方便等優點，可適用于各種需要對人體酒精含量進行檢測的場合，尤其適用于酒后駕車的檢測，具有廣闊的應用前景。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

[1] ST.STM32固件庫使用手冊，2012.

[2] WINSEN.ME3－C2H5OH電化學式氣敏元件使用手冊，2012.

[3] 全書海，雷碩，畢常青.基于單片機的語音合成電路設計與應用[J].計算機應用研究，1999（9）.

[4] 陳燕生，夏春華.基于斜率計算的酒精濃度測試通道控制系統[J].山西電子技術，2009（6）.