彭闖 楊應(yīng)文 楊優(yōu)

（廣西民族師范學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)崇左市 532200）

人類釀酒的歷史約始于公元前7000年的新石器時(shí)代，那時(shí)候的人們就掌握釀酒技術(shù)，開始了酒的釀造與制造酒精之路。酒精為人類帶來了豐富的酒文化，也帶來了許多的事故，從古至今都有許多人因?yàn)樽砭贫`事，也有因?yàn)樽砭贫龅摹?/p>

自改革開放以來，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)民生產(chǎn)總值飛躍至世界第二，人民財(cái)富得以保存，發(fā)達(dá)的交通與漫天的廣告引誘著有存款的人民購(gòu)買私家車，而隨著上路車輛增多，中國(guó)的酒桌文化的逐漸普及，導(dǎo)致因?yàn)樽砭贫斐傻慕煌ㄊ鹿暑l繁發(fā)生，嚴(yán)重危害人們的生命安全。在這種情況下，我國(guó)將酒駕醉酒納入刑法。為了較好的實(shí)施法律，需要大量的優(yōu)質(zhì)酒精測(cè)試儀。今天市場(chǎng)上的存在的酒精測(cè)試儀多種多樣，魚龍混雜，價(jià)格和性能都大不相同，所以需設(shè)計(jì)一款性價(jià)比高，便攜的酒精測(cè)試儀，來滿足有需求的人民與交警部門對(duì)于檢測(cè)車輛駕駛?cè)耸欠耧嬀撇⑶页潭热绾蔚囊螅Ｕ先嗣窭媾c維護(hù)我國(guó)的交通治安管理。

1 酒精測(cè)試系統(tǒng)原理及功能

酒精濃度測(cè)試系統(tǒng)是以STC12C5A16AD單片機(jī)作為控制主體，來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，搭配上附加的一系列輔助電路，最終構(gòu)成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的整體；硬件部分通過 Altium designer 軟件畫出相關(guān)硬件部分，將各個(gè)硬件部分連線起來制作出 PCB 圖。仿真部分通過軟件來調(diào)用事先已畫好的原理圖，挑選出原理圖中的單片機(jī)，將寫好的.hex程序文件載入，然后打開電源觀察結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)問題則針對(duì)問題修改。軟件部分采用 Keil μVision 應(yīng)用程序?qū)懭肽軌蚩刂浦骺匦酒跋嚓P(guān)電路的程序；在特定構(gòu)建的外圍電路的連接下，通過可輸入鍵盤在酒精測(cè)試儀上面輸入需要設(shè)置的數(shù)據(jù)，方便控制聲光報(bào)警電路的響應(yīng)閾值，蜂鳴器和紅色信號(hào)燈的響應(yīng)；測(cè)量得出的氣體酒精濃度值，與人體血液中含有的酒精濃度有一定關(guān)聯(lián)，可以通過條件轉(zhuǎn)換得出血液酒精濃度，進(jìn)而判斷駕駛?cè)耸欠窬岂{醉駕，得出的數(shù)值最后通過LCD1602液晶顯示屏來顯示。系統(tǒng)電路中接收氣體的傳感器使用的是MQ-3氣敏傳感器，MQ-3傳感器能夠?qū)怏w中的酒精信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，并準(zhǔn)確的檢測(cè)出氣體酒精濃度值。另外，該系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示屏和鍵盤，可以輸出單位的酒精含量，可以進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，用戶界面友好，操作簡(jiǎn)單。本發(fā)明的酒精含量檢測(cè)儀可以通過按鍵來改變?cè)O(shè)置的酒精閾值，用戶可以根據(jù)自己的需要或者相關(guān)的法律法規(guī)來調(diào)整其醉酒閾值，并將設(shè)定好的醉酒閾值保存，重新上電使用時(shí)不會(huì)消失，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

完整的硬件系統(tǒng)原理如圖1所示。本系統(tǒng)由幾大部分組成，分別為：包括以單片機(jī)STC12C5A16AD為核心的控制部分，傳感器部分、鍵盤輸入和 LCD1602液晶顯示部分、聲光報(bào)警電路部分。設(shè)計(jì)的酒精測(cè)試系統(tǒng)，硬件電路中的氣體采集部分采用高精準(zhǔn)度，高靈敏度的MQ-3傳感器來收集氣體，并測(cè)量出含有的酒精濃度，檢測(cè)過程方便快捷，擁有較高的可靠性高且反應(yīng)迅速。

圖1：硬件系統(tǒng)原理圖

2.1 單片機(jī)及其附加電路

圖2所示為設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)。在該單片機(jī)的系統(tǒng)中，都包含了晶振、電容、電源等設(shè)備，這些設(shè)備在單片機(jī)的正常工作中是不可或缺的。本系統(tǒng)采用STC12C5A16AD這么一款高性能、廉價(jià)的單片機(jī)，屬于增強(qiáng)型51單片機(jī)，是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)單片機(jī)，是經(jīng)過一系列收集的資料和準(zhǔn)備選用的可靠硬件電路，該單片機(jī)自帶八路10位精度的A/D轉(zhuǎn)換，比一般的51單片機(jī)多一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換功能，這意味著可以不用再需要加外置AD轉(zhuǎn)換芯片，這就是這款單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。所以當(dāng)采用該單片機(jī)作為酒精濃度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)核心電路時(shí)，在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展AD轉(zhuǎn)換芯片,PWM等其他功能時(shí)，可以適當(dāng)減少設(shè)計(jì)的外圍電路，簡(jiǎn)化過程，減少工作量。

圖2：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)

2.2 傳感器的選用

此電路設(shè)計(jì)的酒精傳感器采用的MQ-3傳感器，這是當(dāng)前市面上使用最廣泛，也是最可靠，最優(yōu)秀的一類酒精轉(zhuǎn)換器。這款傳感器的優(yōu)點(diǎn)有：使用壽命長(zhǎng)，檢測(cè)穩(wěn)定可靠，對(duì)乙醇蒸汽具有高度的靈敏度以及特定的識(shí)別，響應(yīng)時(shí)間快以及恢復(fù)時(shí)間快速等等。在硬件電路中，電路所用的 MQ-3傳感器對(duì)酒精氣體十分敏感，能夠?qū)z測(cè)到的酒精氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，系統(tǒng)能根據(jù)檢測(cè)到的電信號(hào)電壓強(qiáng)弱來分析，能夠準(zhǔn)確測(cè)量出氣體中含有的酒精濃度值；MQ-3傳感器還可用于多種環(huán)境的氣體中的酒精濃度含量的檢測(cè)，適應(yīng)能力強(qiáng)，可用范圍廣。

本設(shè)計(jì)輸入電壓采用的是十分符合MQ-3氣敏傳感器的5V電壓，使得該傳感器能夠穩(wěn)定的工作。電路所用的 MQ-3傳感器中的氣敏元件一般固定在腔體內(nèi)部，其中的加熱器為傳感器提供了工作所需的必要條件，所以電路通電時(shí)MQ-3傳感器會(huì)發(fā)熱，電路通電時(shí)注意不要長(zhǎng)時(shí)間觸摸傳感器，小心燙傷；MQ-3傳感器電阻的變化與氣體溫度,工作的環(huán)境，以及酒精濃度息息相關(guān)，為了最大限度地減少測(cè)得的氣體酒精濃度值的誤差。因此，對(duì)傳感器進(jìn)行預(yù)熱，是檢測(cè)氣體前的必要工作，并且大致需要預(yù)熱5分鐘左右。這樣檢測(cè)低濃度含鈉精氣體時(shí)誤差小，最大誤差僅為8.2%左右，符合設(shè)計(jì)的要求。

傳感電路選用了兩個(gè)不同顏色的 LED 信號(hào)指示燈，其中黃色指示燈是 MQ-3 傳感器直接輸出的模擬報(bào)警信號(hào)，其閾值通過調(diào)節(jié) MQ-3 傳感器模塊上的藍(lán)色電位器改變，作用是檢測(cè)我們使用的傳感器的好壞，調(diào)整電位器的旋鈕就可以改變 MQ-3傳感器的靈敏度，一般情況下不會(huì)隨意去改變傳感器靈敏度，當(dāng)電路檢測(cè)出現(xiàn)問題時(shí)，則需要通過調(diào)整電位器查看電路中黃色指示燈是否會(huì)亮，來判斷是否是MQ-3 傳感器損壞。

圖3：整體程序流程圖

2.3 供電系統(tǒng)與下載存儲(chǔ)電路

系統(tǒng)采用的供電系統(tǒng)是依靠USB供電，這樣優(yōu)點(diǎn)是能夠方便的使用且使得接口標(biāo)準(zhǔn)化，更加實(shí)用。程序下載電路采用STC-IS下載方式下載，利用MAX3232設(shè)計(jì)硬件下載電路，MAX232芯片將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平，如此設(shè)計(jì)的好處是：既使得單片機(jī)的通訊電路更加簡(jiǎn)單，方便設(shè)計(jì)，也能夠使下載程序更加便捷，大大的增強(qiáng)了實(shí)用性和普遍性。

存儲(chǔ)電路中存儲(chǔ)芯片采用AT24C04芯片,以 AT24C04 芯片設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)電路是比較常用的單片機(jī)外圍存儲(chǔ)電路。系統(tǒng)會(huì)將在軟件編寫設(shè)定的醉酒閾值保存在EEPROM芯片AT24C04中,AT24C04 芯片屬于是IIC接口的EEPROM芯片，可以用來保存數(shù)據(jù)，并且在突然電路突然掉電時(shí)完好的保存數(shù)據(jù)。

2.4 復(fù)位電路

復(fù)位電路的用途：圍繞單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)位電路，類似于電腦主機(jī)部分的重啟功能，比如在電腦使用過程中出現(xiàn)死機(jī)或者藍(lán)屏的意外情況，就能通過按下主機(jī)的重啟按鈕，讓電腦重新啟動(dòng)。以STC12C5A16AD單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的電路也類似如此，其還與供電系統(tǒng)有關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到干擾或者發(fā)生故障時(shí)，按下整個(gè)電路的電源開關(guān)按鈕，重新讓單片機(jī)斷電上電，重啟電路，讓整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部程序重新執(zhí)行，這里設(shè)計(jì)的復(fù)位電路采用高電平復(fù)位，即在給電路重新通電斷電時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。

2.5 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路是電路設(shè)計(jì)中常用的電路。聲光報(bào)警電路是酒精測(cè)試儀中的重要的輸出部分，它采用有源蜂鳴器報(bào)警與紅色LED燈提示，當(dāng)被檢測(cè)氣體通過MQ-3傳感器進(jìn)入，轉(zhuǎn)換為酒精氣體信號(hào)，酒精氣體信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路處理后，會(huì)輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，輸出的電壓信號(hào)會(huì)在被檢測(cè)氣體中酒精濃度變化時(shí)一同變化，然后將輸出的電壓信號(hào)送入STC12C5A16AD單片機(jī)系統(tǒng)處理，由單片機(jī)附帶的A/D轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換后，輸出相應(yīng)的被檢測(cè)氣體的酒精濃度值，與設(shè)定好的醉酒閾值相比較，來確定電路中LED紅燈是否亮起，蜂鳴器是否發(fā)出報(bào)警聲。

2.6 鍵盤輸入和液晶顯示部分

鍵盤和液晶顯示器是系統(tǒng)的輸入輸出部分，根據(jù)不同的情況我們可以用鍵盤輸入控制修改不同的閾值，使其實(shí)用性大大提高，而液晶顯示屏可以將所測(cè)環(huán)境的酒精濃度數(shù)值準(zhǔn)確的顯示出來，每個(gè)人能夠簡(jiǎn)單方便的操作該酒精測(cè)試儀。

鍵盤輸入模塊主要設(shè)定閾值功能鍵，通過按鍵調(diào)試閾值增加，減小以及確認(rèn)保存數(shù)據(jù)四個(gè)功能鍵來操控設(shè)定酒精測(cè)試儀的報(bào)警閾值。在使用閾值功能改變?cè)?/p>

先軟件程序中設(shè)定好的閾值時(shí)，其相應(yīng)單片機(jī)I/O口的引腳電平會(huì)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑⑶掖藭r(shí)液晶顯示屏?xí)@示出設(shè)置好的當(dāng)前閾值，可以根據(jù)各種不同需求，去調(diào)整閾值增加、減小功能鍵來設(shè)定需要的閾值，達(dá)到各種目的。

液晶顯示模塊能夠?qū)⒉⑶夷軌驅(qū)y(cè)試環(huán)境的酒精濃度和鍵盤設(shè)定好的閾值直觀的顯示出來并進(jìn)行比較，在電路中液晶顯示模塊部分選用的是LCD1602液晶顯示屏，該液晶顯示屏能夠在檢測(cè)氣體中的酒精濃度含量時(shí)，輸出準(zhǔn)確、有單位的氣體酒精濃度值。

3 程序調(diào)試

如3所示為總體程序流程圖。當(dāng)系統(tǒng)開始工作，會(huì)對(duì)液晶顯示屏、定時(shí)器、單片機(jī)接口等數(shù)據(jù)端口進(jìn)行初始化，然后系統(tǒng)會(huì)讀取在軟件編程中事先設(shè)定好的初始閾值。被檢測(cè)氣體在通過MQ-3傳感器時(shí)，會(huì)被檢測(cè)出其中含有的酒精濃度含量，使得出的酒精濃度值在LCD液晶顯示屏上顯示出來，并將檢測(cè)出來的氣體酒精濃度值與在軟件程序上設(shè)定好的酒精濃度閾值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)出的氣體酒精濃度大于設(shè)定的醉酒閾值時(shí)，聲光報(bào)警電路會(huì)亮起紅燈并且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，反之則紅燈不會(huì)亮，且蜂鳴器不報(bào)警。還可以通過“增加”，“減少”閾值的兩個(gè)按鍵來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的報(bào)警值的大小，來調(diào)整報(bào)警范圍。

4 成品展示

設(shè)計(jì)的成品如圖 4 所示。設(shè)計(jì)完成后，需要用仿真和萬用表來檢測(cè)電路是否可行，還需檢測(cè)電路上電時(shí)的電壓是否在5V左右，是否符合設(shè)計(jì)。電路檢測(cè)沒有問題后，給單片機(jī)加載程序，接通電源，將傳感器預(yù)熱一段時(shí)間，此時(shí)就可以檢測(cè)氣體。整體檢測(cè)流程為：酒精測(cè)試電路通電后，向右打開報(bào)警開關(guān)，此時(shí)外界氣體通過傳感器被檢測(cè)到，檢測(cè)出的氣體酒精濃度超過設(shè)定好的醉酒閾值時(shí)，報(bào)警電路中的紅色LED燈會(huì)亮起，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出刺耳的蜂鳴報(bào)警聲，本設(shè)計(jì)的酒精閾值設(shè)為 80mg/L，符合國(guó)際酒駕的標(biāo)準(zhǔn)，不同的用戶可以根據(jù)自己的需求，按下方兩個(gè)按鍵進(jìn)行加減調(diào)節(jié)閾值大小。

圖4：成品實(shí)物圖

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)駕駛?cè)孙嬀频膯栴}的探討，酒有兩面性，少量適當(dāng)飲酒有益身心健康，過度飲酒，甚至于酒后駕車則屬于不對(duì)自身負(fù)責(zé)，危害社會(huì)的行為，針對(duì)此類現(xiàn)像，設(shè)計(jì)一款好的，便宜、功能多樣、且易推廣酒精測(cè)試儀的出現(xiàn)是必要的，也是必然的。

設(shè)計(jì)好的酒精測(cè)試儀，經(jīng)過相關(guān)一系列的上電，檢測(cè)氣體酒精濃度測(cè)試調(diào)試后，預(yù)先設(shè)計(jì)好要實(shí)現(xiàn)的基本功能都已實(shí)現(xiàn)。該酒精測(cè)試儀也許在后期出現(xiàn)更合適的單片機(jī)時(shí)還會(huì)有更大的開發(fā)空間，設(shè)計(jì)出一款更加的便宜便攜的酒精測(cè)試儀，如果不考慮便宜的價(jià)格，后續(xù)該電路還能增加一些其他功能，比如說在聲光報(bào)警的基礎(chǔ)上增加語(yǔ)音播報(bào)功能等，讓該酒精測(cè)試儀更加人性化，反應(yīng)更加快速準(zhǔn)確，做到不斷能夠滿足社會(huì)的所需，這都是需要不斷去努力追求實(shí)現(xiàn)的。