基于單片機的便攜式酒精濃度測試儀設計與實現

曾當兵

（中山市技師學院，廣州中山，528400）

0 引言

目前市面上出現的酒駕測試儀價格昂貴，測試標準單一，不能修改閾值數據，使用場合單一，耗電量大，經常更換干電池，使用成本高等不足，針對以上不足，結合高性能單片機STC12C5A16AD的特點，設計該測試儀，以滿足不同應用場合，對酒駕行為進行提前預防，保障人民群眾的生命安全。

1 系統總體設計

1.1 功能設計

本設計基于STC12C5A60S2微處理器，用于檢測氣體中的酒精濃度，可使用在一些對環境酒精氣體濃度要求嚴格的生產車間，本設計可以及時檢測車間內的氣體酒精濃度。當氣體酒精濃度高于設定閾值時，發出告警提示，提醒車間管理者及時通風換氣，以便于安全生產。除此之外，還可用于酒駕測試，用來測試當前呼氣酒精濃度，是否高于酒駕濃度閾值，以此來時刻提醒駕駛員請勿酒后駕駛。

為了提高測量數據精度，需要高精度的酒精傳感器，本設計中采用了MQ—3型酒精傳感器，將酒精氣體濃度值轉換成0～5V的模擬電壓輸出，再將模擬電壓值傳送到微處理內部自帶的高精度10位A/D轉換模塊中去，得到一組10位二進制數據存放在單片機內部寄存器中，再通過單片機數據處理和控制部件，將相應結果顯示在液晶顯示屏中。為了便于使用，采用通用USB接口充電器，大容量鋰電池，提供穩定可靠的電源支持。

1.2 系統結構設計

系統結構框圖如圖1所示，包含MQ—3乙醇氣體檢測模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、 鋰電池充放電模塊、報警模塊、單片機模塊等。

1.3 外觀工藝設計

測試儀的定位是日常使用便攜式測試器，主要特點是使用方便，容易攜帶，安全衛生，重復使用操作簡便等特點。根據以上特點對測試儀外觀工藝做要求：重量要輕；三維尺寸要小，適合手持要求；氣嘴由于經常使用，可以采用價格適中的一次性氣嘴設計，符合市面上通用氣嘴標準；充電設備兼容手機等電子產品充電設備規范，采用迷你USB接口；顯示屏幕不能太大，為了縮小整體尺寸，顯示測試數據和相關報警信息等。測試儀外觀滿足人體工程學相關要求，外觀采用流線型設計。

圖1 系統結構框圖

2 硬件系統設計

2.1 微處理器單元

在這次設計中采用了STC12C5A60S2微處理器，該處理器屬于增強型51單片機，是單時鐘/機器周期(1T)單片機。普通51單片機的機器周期是振蕩頻率進行12分頻后得到的，而該單片機機器周期相等于振蕩周期，這樣在相同振蕩頻率下，該單片機指令執行速度至少比普通單片機快12倍，適合用于響應及時的場合，隨著單片機技術的發展，該單片機價格已經接近普通51單片機價格。它內部集成1280 字節 RAM和64KROM空間，適合運行大型單片機程序，給程序員提供方便。內部還集成了8路10位高精度高速A/D轉換器，指令代碼完全兼容傳統51單片機，本設計正是利用單片機內部高精度A/D轉換器，在不影響測試精度的條件下，方便控制測試儀的整體尺寸，節約成本。

2.2 MQ-3傳感器模塊

圖2 MQ—3外部結構圖

傳感器電壓輸出信號Vout和氣體酒精濃度，以及環境溫度密切相關，為了減小氣體酒精濃度測量誤差，需要在傳感器測量前進行預熱，一般預熱時間為 20秒左右。Vout電壓每升高0.1V，實際被測氣體的濃度增加20ppm，這里的1ppm=1mg/kg=1mg/L , 常用來表示氣體濃度，或者溶液濃度。

MQ—3模塊信號有數字電平輸出和模擬信號電壓輸出兩種模式，由于本設計需要適時顯示被測量的酒精濃度，所以采用模擬電壓輸出模式。模擬電壓輸出范圍0～5V，濃度越高輸出電壓值越高。

2.3 液晶模塊

為了讓產品便于攜帶，考慮到待機時長問題，本設計采用成熟的1602液晶作為顯示單元。1602液晶體積小，能固定顯示兩行各16個字符，采用移位顯示模式還可以顯示兩行各32個字符，本項目第一行顯示“Alcohol CON：”，第二行顯示“xxx mg/100ml”。如果將第一閾值閾值設置為20mg/100ml，第二閾值設置為80mg/100ml，那么測試值大于等于20mg/100ml，小于80mg/100ml，第二行顯示數值會以1Hz頻率閃爍，并開啟蜂鳴器和報警燈以相同頻率報警；如果數值大于等于80mg/100ml，則數值以10Hz的頻率快速閃爍，并開啟蜂鳴器和報警燈以相同頻率報警。以上警告提示是以國家質量監督檢驗檢疫局早前發布的《車輛駕駛人員血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗》（GB19522－2004）為依據。

2.4 鍵盤模塊

鍵盤模塊主要作用是可以設置閥門值，根據不同場合對酒精濃度的要求進行修改，擴大了本設計的應用范圍。一個按鍵定義為數值加，每按一次數值增加1mg/100ml；另一個為數值減，每按一次數值減少1mg/100ml；第三個按鍵為數值清零，講預設的閥門值清零；第四個按鍵為設置鍵，用于設置數據確認鍵。本系統所需按鍵較少，采用獨立式按鍵電路連接方式。

2.5 鋰電池充放電模塊

鋰電池充電、放電模塊采用TP5410來解決，TP5410是一款專為移動電源鋰電池充電和升壓至恒定5V的電源管理芯片，它可以進行高精度的電壓充電和精確調節充電電流，還具有預充、充電狀態指示和充電截止等功能。R6是充電電流調節電阻，將它設為680Ω，最大充電電流可以到1A，充、放電電路如圖3所示。

圖3 鋰電池充、放電電路圖

本系統耗電部分主要集中在MQ—3傳感器檢測和蜂鳴器報警期間，最大供電電流不大，實際最大工作電流不足300mA，輸出電壓在+5V±0.1V。

3 系統軟件設計

總體程序流程圖如圖4所示。系統初始化包括液晶屏初始化、A/D初始化、數據初始化。設定判斷閾值主要是根據環境需要設定極限值，系統允許設定三個不同閾值，如果是測試酒駕、醉駕，則設定第一個閾值為20mg/100ml，第二個閾值為80mg/100ml，第三個閾值可以不用設置，系統默認不啟用。系統也可以用在其他需要測試酒精濃度的場合，比如食品加工車間、釀酒車間等。聲光報警是由一只紅色LED和蜂鳴器組成，通過報警聲音頻率和LED閃爍頻率來確定超出規定閾值酒精濃度的高低，綠色LED表示濃度值正常。

在酒精濃度測量過程中，連續多次測量值都會有不同，為了讓測量值更加穩定和精確，這里采用多次測量取平均值的辦法，系統每隔10ms測量一次數據，將測量到的五次數據做平均處理。

傳感器在測量不同濃度酒精溶液時，測試濃度值與電壓值之間是非線性關系，為了使處理數據方便，系統將電壓值區間分為六段，分別做線性處理，具體映射方式如表5所示。

圖4 程序流程圖

4 制作與標準化測量

由于考慮到便攜性特點，電路板盡量設計為長方形，液晶屏罩在單片機上，吹嘴通過軟管接到傳感器上，

讓氣體都能噴到傳感器感應頭上。配置四種濃度：10mg/100ml、22mg/100ml、48mg/100ml、112mg/100ml，用該系統測試四種容易的濃度值為：9.8、22.1、47.1、106.2，測量最大誤差為5.2%。實驗表明測量低濃度數值誤差較小，高濃度測試數值誤差稍大，由于測試環境酒精濃度普遍不高，在低濃度環境測量中精度更高，整體符合系統的應用要求。 由于溶液中酒精易揮發，酒精濃度會比配置值稍低，也會影響測量誤差。

表5 電壓值-濃度映射關系

5 總結

本系統體積小巧，便于攜帶，采用鋰電池供電，使用成本降低了。充分利用STC增強型51單片機的高性能，讓微處理器外圍元件減少，增強了系統穩定性。閾值設置靈活，擴大了該系統的使用范圍，通用性更強。采用一定的軟件優化技術，測量數據更加準確，達到了設計預期。