宋曉宇 高國偉 李世川 吳冰洋 李孟楠 黃璐

1.北京信息科技大學自動化學院，北京100192；2. 北京信息科技大學信息獲取與檢測重點實驗室，北京 100101

一、引言

根據相關部門的調查顯示，大約60%的交通事故都是酒后駕駛造成的，酒后駕車已成為威脅人類生命的 “隱形殺手”。即使在飲酒很少的情況下，交通事故的的發(fā)生率也能成倍增長，酒后駕車已成為交通事故的第一大殺手[1]。

自《刑法修正案(八)》和修改后的《道路交通安全法》正式實施，“醉酒駕駛”正式入刑。不僅交警部門，而且很多車主都期盼能夠有便攜儀器方便地測量氣體酒精濃度，為安全駕駛提供保障，有效減少重大交通事故的發(fā)生。

基于上述原因設計了一種智能酒精濃度檢測儀，用來檢測被測者或者被測環(huán)境的酒精濃度，由顯示模塊顯示出檢測的值，還能通過外部按鍵改變檢測儀的報警濃度閾值，從而來界定不同環(huán)境條件下酒精含量的安全范圍，超過安全閾值可以促發(fā)報警電路產生報警，達到預防、阻止交通事故發(fā)生的目的。

二、系統(tǒng)的整體設計

本次酒精濃度測試儀的設計以單片機為控制核心，由氣體傳感器電路、顯示電路、報警電路[2]等電路模塊組成的硬件電路，編制相關控制軟件，從而實現對駕駛人員呼出氣體的酒精濃度進行實時監(jiān)測，并在超過安全值時報警。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

MQ-3乙醇氣體傳感器輸出信號，經信號調理電路處理，輸出隨乙醇濃度變化的電壓信號，經A/D轉換，該電壓信號送入單片機系統(tǒng)，與設定的醉酒閾值進行比較，并顯示或報警。

本次設計的酒精濃度檢測系統(tǒng)具有如下點：

（1）數據采集系統(tǒng)以單片機為控制核心，外圍電路帶有LCD 顯示以及按鍵控制電路，無需要其他計算機，用戶就可以與之進行交互工作，完成數據的采集、存儲、計算、分析等過程；

（2）系統(tǒng)具有低功耗、小型化、高性價比等特點；

（3）從便攜式的角度出發(fā)，系統(tǒng)成功使用了大屏幕液晶顯示器以及小按鍵，由單片機系統(tǒng)控制按鍵和LCD 顯示來實現人機交互操作，界面友好；

（4）軟件系統(tǒng)采用C語言編寫，在兼顧實時性處理的同時也能很方便地進行數據處理。

三、系統(tǒng)的硬件設計

本研究設計的酒精濃度測試儀系統(tǒng)電路圖如圖2所示。

1、乙醇信號檢測及調理電路

本次檢測氣體的系統(tǒng)核心是氣體傳感器，一般情況下安裝在探測頭內。從本源上講，氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號的轉換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體產品進行分析整理，通常包括清除渣滓和干擾氣體、干燥或制冷處理、樣品抽吸，以便傳感器進行更加快速的分析處理。

由于本次測量環(huán)境在正常室溫條件下進行，并且被測對象為空氣中的酒精氣體，揮發(fā)性較強，檢測范圍變化較大，所以在選擇傳感器的時候，一定要考慮到穩(wěn)定性、靈敏度、選擇性和抗腐蝕性，而本次設計使用的MQ-3傳感器符合上述條件。

MQ-3傳感器，具有很好的穩(wěn)定性、相當高的靈敏度、較好的選擇性和長期的使用壽命以及可靠地穩(wěn)定性。該傳感器由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成敏感元件，固定在塑料或者不銹鋼的腔體內，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件，當其受熱后，加溫室環(huán)境中的可燃氣體濃度迅速增大，傳感器的內阻阻值將會迅速降低[3]，Vout值將逐漸增大，當超過設定閾值時，可產生相應的操作。經過處理后檢測信號由電阻值轉變成電壓值，就可用于后續(xù)電路進行 A/D 轉換和處理。

傳感器的由兩條回路組成：第一部分為加熱回路；第二部分為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻變化，上述這些參數使得傳感器輸出0～5V的電壓[4]。

MQ-3乙醇氣體傳感器管腳與測試電路如圖3所示，主要技術指標見表1。

圖4為 MQ-3傳感器的靈敏度曲線。由圖中可以看出，具有氣敏特性的電阻，其輸出的電阻阻值會隨著乙醇氣體濃度的變化而相應變化。MQ-3傳感器對于乙醇氣體的反應程度最高，其輸出的電阻阻值與乙醇氣體濃度成反比，經過測試阻值變化率約為0.6，傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關系慎密，為了使測量的酒精濃度最高誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預熱5min。預熱后半導體顆粒表面的吸附可導致材料載流子濃度發(fā)生相應變化，從而改變電導率，使傳感器輸出電壓信號發(fā)生改變來相應反映濃度變化。

MQ-3乙醇氣體傳感器的輸出信號經過調理，檢測信號由電阻值轉變成電壓值，便于后續(xù)電路進行A/D轉換和處理。圖2中AOUT為MQ-3傳感器模塊輸出的檢測電壓信號，送入ADC0832采集芯片端口進行A/D轉換處理。

2、A/D轉換電路

表1 MQ-3氣體傳感器的主要技術指標

本設計選用的ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎。ADC0832的最高分辨可達256 級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V之間。芯片轉換時間僅為 32μs，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇[5]。再本設計中ADC0832的功能是將酒精傳感器輸出的模擬信號轉化為數字信號，然后將信號送入單片機進行處理，試驗證明，本電路滿足本設計要求。在本設計中，ADC0832選擇模擬輸入通道0即CH0作為信號的采集端口。

3、CPU模塊電路

CPU模塊主要由單片機電路、晶振電路和復位電路三部分組成。

核心單片機電路選用宏晶公司高性能單片機STC89C52，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口[6]?？稍趦炔繉ν鈦頂底中盘栠M行處理，顯示并產生報警信號。

復位電路由按鍵S1、電解電容C1和電阻R3組成。具有手動按鍵復位和上電自動復位功能。系統(tǒng)上電復位按鍵接口采集到兩個高端信號后進行手動復位，就是非自動的按鍵復位；系統(tǒng)檢測到的電壓由低電平上升到高電平的一段時間后，在這段時間過后，系統(tǒng)通過電阻與接地之間形成一條通路，然后自動把高電平進行拉低，使得單片機從高電位變?yōu)榈碗娢?，從而就是給單片機自動進行復位即上電復位[7]。

晶振電路由晶振Y1、瓷片電容C2和C3組成，本設計用12MHz晶振和20pF的電容組合，電容為了幫助晶振起振的，滿足了數字控制器上電以后可以正常工作。

4、LCD顯示電路

顯示部分采用LCD1602液晶屏。LCD1602為字符型液晶顯示屏，主要技術參數為：顯示容量為16×2個字符、芯片工作電壓為4.5～5.5V、工作電流為2.0mA（5.0V）、模塊最佳工作電壓為5.0V、字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm[8]。

LCD1602采用標準的14腳，其中，第4腳RS為寄存器選擇，RS=1數據寄存器、RS=0指令寄存器；第5腳RW為讀寫信號線，RW=1讀操作，RW=0寫操作。當RS=0并RW=0時可以寫入指令或者顯示地址，當RS=0并RW=1讀忙信號，當RS=1并RW=0寫入數據。第6腳E端為使能端，當E端由1跳變成0時，液晶模塊執(zhí)行命令。單片機通過P2.7～P2.5控制這三個引腳進而控制LCD的顯示。

5、醉酒閾值調整按鍵電路

在本系統(tǒng)中，按鍵作為系統(tǒng)的輸入，起到了人機交互的樞紐作用。初始閾值直接在系統(tǒng)中設置為80mg/L，按鍵電路設置了S2和S3兩個按鍵，兩個按鍵的單片機控制引腳默認為高電平，按鍵按下后，單片機的相關引腳則變成低電平。S2按鍵按下后，單片機檢測到低電平，對相應的閾值變量執(zhí)行“+1”的指令，S3按鍵按下后，單片機檢測到低電平，對相應的閾值變量執(zhí)行“-1”的指令，從而改變閾值，進而實現對系統(tǒng)的手動輸入。其中閾值的調整范圍為0～999mg/L。

6、聲光報警電路設計

本系統(tǒng)所采用的報警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012來驅動，只要單片機引腳為低電平，蜂鳴器就會鳴叫報警，反之則不鳴叫，可以通過控制單片機相關引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。同時，將LED燈串聯個電阻與蜂鳴器并聯，串聯電阻為限流電阻，當蜂鳴器間隔鳴叫的時候，LED指示燈將閃爍報警。電路簡單可靠，不需額外占單片機的I/O口。

7、供電電路

本設計采用電池盒接口供電，電源電壓5V，開關設置為按鍵開關。

四、系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分采用C語言編寫。先將系統(tǒng)按功能作用劃分為若干子模塊，然后根據子模塊要實現的功能完成各個子程序的編寫[9]。整個程序是采用查詢的方式編寫的。

主程序主要完成：檢測環(huán)境下的酒精濃度，對當前的酒精濃度進行顯示，并且經過處理與設定的閾值進行比較，產生聲光報警信號等。本設計軟件主程序流程圖如圖5所示。給設備連接上電測試之后，主控芯片單片機對系統(tǒng)進行初始化，酒精傳感器檢測外界環(huán)境的酒精濃度，經過A/D轉換后，進入單片機處理，顯示模塊顯示酒精濃度，并且與初始設定閾值相比較，如果超過閾值，單片機觸發(fā)報警裝置，否則，繼續(xù)檢測信號；檢測過程中，可以通過按鍵電路調整閾值，系統(tǒng)經過按鍵增加或者減小閾值大小，新的閾值確定后，系統(tǒng)重復進行信號檢測、A/D轉換、顯示、報警等流程。

五、系統(tǒng)測試

經過軟件、硬件部分的調試，最后實現了本次酒精濃度測試儀的設計功能。圖6所示為測試結果顯示。

上述測試結果是在實驗室模擬車輛內環(huán)境下進行的，被測對象為以酒精為主的測試樣本通過噴霧的形式釋放出一定濃度的酒精。由圖6可知，開機后先對系統(tǒng)進行預熱大約5min，當酒精濃度低于設定值時，系統(tǒng)沒有任何反應；當有一定濃度的酒精釋放，系統(tǒng)的響應時間約為15～20s，酒精氣體被傳感器采集后濃度開始上升，超過設定值時LED燈亮，蜂鳴器發(fā)出報警；過段時間可以發(fā)現液晶屏上濃度開始下降，并在降到設定值以下后LED熄滅，蜂鳴器不再發(fā)出報警，測試成功。

測試的同時，運用市場上常用的警用JS-PD800酒精測試儀（此儀器的分辨率可達0.01mg/L，測量精度在室溫條件下，對乙醇氣體的測量允許誤差不超過0.8mg/L，儀表的精度等級為0.4級）進行比對測試，共進行了五次比對測試實驗，五組比對數據如表2。經過比對，本設計的測量誤差小于6%，系統(tǒng)精度符合預期。

當然系統(tǒng)還有待進一步的完善發(fā)展。由于各種環(huán)境因子相互影響，而本系統(tǒng)的控制輸出僅為簡單的百分比信號量，這顯然不能滿足高精度的控制要求。應引入模糊算法，專家系統(tǒng)等技術以進一步提高系統(tǒng)的智能決策水平[10]。系統(tǒng)還可以開發(fā)成多機監(jiān)控模式，同時監(jiān)測多個被測對象，通過串行通信傳到上位機進行綜合處理[11]。

六、結論

設計的酒精濃度檢測系統(tǒng)兼有濃度監(jiān)測與報警的功能。結果表明：整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定、靈敏度高、體積小、性價比高。該酒精濃度檢測系統(tǒng)不僅可以用于檢測空氣中酒精的含量，對人身安全起到預防保護的作用，而且可以用于其他需要進行酒精濃度檢測的環(huán)境。因此，市場前景廣闊、推廣價值高。