1、摘要:以STC12C5A32AD 單片機作為控制器,以MQ-3乙醇氣體傳感器作為檢測器件,進行了酒精濃度檢測儀的設計。介紹了此款單片機和傳感器的工作特性,并敘述了系統電路的工作原理。提出了酒精濃度檢測儀設計的方案,并對設計的硬軟件進行了綜合測試,結果表明,設計出的儀器能夠成功地實現酒精濃度的檢測,具有一定的現實應用前景。關鍵詞:檢測儀;STC12C5A32AD ;MQ-3乙醇氣體傳感器;12864液晶中圖分類號:TP273文獻標志碼:A 文章編號:1671-6191(201304-0020-04近年來,隨著我國經濟的持續快速發展,人們的生活水平迅速提高,私家車數量越來越多。然而,酒駕的現象嚴重

2、,且造成了不少交通事故。據不完全統計,我國每年由于酒后駕車而引發的交通事故多達數萬起,造成了巨大的經濟損失。為方便快速地判定交通事故的性質和原因是否為酒后駕車,現場隨時對肇事司機呼出氣體的酒精濃度進行檢測已成為一種必要1。加之人們對環境的安全性和生活的要求越來越高,使得酒精濃度檢測儀具有廣闊的市場前景。1酒精濃度檢測儀的設計方案目前市場上的酒精濃度檢測儀一般都是進口設備,如韓國SAEBYUL 呼吸式酒精檢測儀、CA2000以及歐盟的相關產品,設計原理都是采用新型高科技微變氧化物半導體作為核心檢測器件,能實時進行酒精濃度的檢測以及報警。但是這些儀器在使用過程中存在著以下問題:單價過高,一臺進口設

3、備的價格一般在4000元左右;產品的性能無法根據實際標準進行調節(內嵌程序固化;工作界面不能根據使用要求進行定制。鑒于這些因素,本設計主要采用STC12C5A32AD 單片機作為控制器,利用MQ-3系列傳感器進行酒精濃度的檢測,以12864液晶顯示模塊作為顯示器。在電路的設計中采用了差分的設計思路,并應用濾波電路對信號進行提純,從信號來源方面對儀器的測量精度進行了有效提升,同時采用了STC12C5A32AD 中10位的AD 轉換器,以提升測量的精度。按照目前的市場調研,本方案設計的酒精濃度檢測儀各項指標均優于實際需求,接近國外部分品牌設備的相關指標,造價也僅僅約為進口設備的五分之一(包含工程化

4、的標準外殼、控制界面以及后續升級改造,因此,市場競爭力較強,具有一定的實際應用價值和社會經濟效益。2系統硬件設計酒精濃度檢測儀的硬件電路主要包括單片機模塊、傳感器檢測電路、外部EEPROM 存儲器、顯示器和過閾報警電路等,其結構框圖如圖1所示。2.1系統硬件電路的工作原理根據圖1,整個酒精濃度檢測儀應用MQ-3型酒精傳感器進行采集。它將檢測到的酒精濃度轉化為電基于單片機的酒精濃度檢測儀的設計李建榮,薛亞平,錢松(揚州工業職業技術學院,揚州225127收稿日期:2013-11-05作者簡介:李建榮(1979-,男,江蘇姜堰人,揚州工業職業技術學院講師,研究方向為電氣控制技術、高等職業教育。南通紡

5、織職業技術學院學報(綜合版Journal of Nantong Textile Vocational Technology College Vol.13,No.4Dec.2013第13卷第4期2013年12月電源及下載接口J 11234GND -5VinPowerPXD0TXD K 1R 1+5V1kL 1PowerD 1IN4148RXDJ 21234567891011121314151617181920液晶屏接口+5VP27P26P25P00P01P02P03P04P05P06P07P08P09P11P12GND R 71kR 810k+5VGND+5V+5V+5VGNDGNDR 910k

6、 R10+5V+5V DOUT AOUT GND+5VU 31011121314151617傳感器接口MQ-31234876510kV c c W P S C L S D AU 224C02AR 3R 4K 2K 3HH+HH-1k 1k/襌襌襌襌L 2L 3warn1warn2R 5R 61k 1kGNDAK 2RXD TXD12345678AOUT DOUT 2402SCL 2402SDA P10/ADC0P11/ADC1P12/ADC2P13/ADC3P14/ADC4P15/ADC5P16/ADC6P17/ADC7P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/

7、AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7ALE/PROG PSEN P2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8RXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7X T A L 2X T A L 1G N DC 2GNDC 220pF20pFY 1181920C 5C 422F0.1F39P0038P0137P0236P0335P0434P0533P0632P07302928P2727P2626P252524P0823P0922

8、P1121P12/襋襋誘誘單片機系統U 1STC12C5A32AD93140GNDR 210F10kR S TE A /V p pV c cUSB 圖1系統結構框圖MQ-3氣體傳感器信號調理電路模數轉換電壓酒精濃度轉換閾值比較酒精濃度顯示過閾報警傳感器模塊單片機模塊外部EEPROM圖2酒精濃度檢測儀的電路原理圖李建榮,等:基于單片機的酒精濃度檢測儀的設計21第4期信號,然后將電信號傳送給STC12C5A32AD 單片機內部集成的AD 轉換器,單片機對AD 轉換結果進行分析處理,最后通過12864液晶模塊將分析處理的結果顯示出來。另外,還可以直接通過鍵盤來設定不同環境中酒精濃度的不同閾值,這樣當

9、檢測到空氣中的酒精濃度超過所設定的閾值時,單片機將會控制LED 燈點亮來報警,最終起到報警作用。整個系統的硬件電路原理詳見圖2。2.2STC12C5A32AD 單片機本設計選用宏晶科技的高性能STC12C5A32AD 單片機,該單片機芯片為51內核8位,內部集成了10位多路A/D 轉換模塊,適用于常用電路的檢測。由于此單片機集成了AD 轉換模塊,所以本系統不需要外接AD 轉換器,這就簡化了系統的硬件電路,提高了系統的可靠性。由STC12C5A32AD 組成的單片機電路原理圖如圖2所示。AOUT 為MQ -3傳感器模塊輸出的檢測電壓信號,送入ADC7端口進行處理,DOUT 為傳感器模塊輸出的數字

10、電平信號,該信號可以根據乙醇氣體濃度直接輸出報警信號,報警閾值通過模塊上的電位器進行調節。在圖2中,按鍵K 2和K 3為醉酒閾值調整鍵,其中K 2為“增加”,K 3為“減小”按鍵。L 2和L 3為報警指示燈,分別可以實現一級報警和二級報警的功能。EEPROM 存儲器電路2402SCL 2402SDA11.0572M A 0A 1A 2V s s22南通紡織職業技術學院學報(綜合版2013年2.3MQ-3乙醇氣體傳感器MQ-3乙醇氣體傳感器可以應用于機動車駕駛人員及其他嚴禁酒后作業人員的現場檢測,也可以用于其他場所乙醇蒸氣的檢測,其技術優點包括對乙醇蒸氣有很高的靈敏度和良好的選擇性、快速的響應恢

11、復特性、長期的壽命和可靠的穩定性以及簡單的驅動回路。通過MQ-3乙醇氣體傳感器進行采集之后,經過調理電路,檢測信號由電阻值轉變成電壓值,從而便于A/D轉換和處理。2.412864液晶顯示模塊系統顯示器采用12864液晶模塊進行數據顯示,12864液晶模塊自帶中文字庫,能顯示ASCII碼和中文字符。液晶接口電路如圖2所示。12864液晶模塊具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式,內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊;其顯示分辨率為128×64,內置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡

12、單、方便的操作指令,可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字,也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點,在各類電子產品設計的顯示中應用較為廣泛。3系統軟件設計在系統的軟件設計中,主要采用模塊化程序設計方法,利用C語言完成程序的編寫,程序結構清晰,這樣不僅可以提高開發調試的工作效率,而且便于今后系統功能的進一步擴展,還可以方便系統軟件的升級2。根據系統功能的需要,本系統軟件設計需要完成閾值設定和存取、酒精濃度檢測、結果顯示和報警四個任務。具體工作流程為:系統上電后,首先從EEPROM中提取上次關機時設置的閾值,如不符合實際要求,可以通過按鍵的重

13、新設定來進行初始化。然后進行酒精濃度的檢測,并將檢測結果顯示在液晶屏幕上。同時,將檢測結果與設定的閾值進行比對,如果檢測結果超出閾值,系統將進行報警。同時將計算出來的酒精濃度值送12864液晶模塊進行顯示。MQ-3乙醇氣體傳感器輸出模擬電壓值,經過單片機內部集成的AD轉換接口轉換成數字量。關鍵函數如下:1AD轉換器初始化設定函數。void ADC_Init(uint i;P1ASF=0x80;/P1口功能設定ADC_RES=0;/AD轉換結果清0ADC_CONTR|=0x80;/ADC寄存器設定for(i=5000;i>0;i-;/短暫延時ADC_CONTR=ADC_CONTR&

14、0xE0;/ADC寄存器設定ADC_CONTR=ADC_CONTR&0xf8|0x07;/ADC寄存器設定for(i=2500;i>0;i-;/短暫延時2獲取AD轉換結果函數。uchar GetADVal(uint i;ADC_CONTR&=0xf7;/開啟轉換for(i=250;i>0;i-;/短暫延時ADC_RES=0;/清除結果ADC_CONTR|=0x08;while(ADC_CONTR&0x10=0;/等待轉換結束ADC_CONTR&=0xe7;3主函數中通過調用GetADVal(函數計算酒精濃度,語句為:ALValue =(long500

15、*GetADVal(/256;/換算轉換結果系統主程序流程圖如圖3所示2。4酒精濃度檢測儀的調試為了方便使用,本次設計對酒精濃度的檢測設置了隨時調整功能,分別通過按鍵K 2和K 3來實現。按鍵K 2和K 3為醉酒閾值調整鍵,其中K 2為“增加”,K 3為“減小”按鍵。L 2和L 3為報警指示燈,分別可以進行一級報警和二級報警。首先接通電源,把閾值調整到自己需要的設定值,由于檢測儀在測試前需要進行預熱,所以在測量之前要通電等待幾分鐘的時間,然后檢測儀進行自檢,此時處于正常空氣檢測環境中,酒精濃度低于警戒值,測量結果顯示正常(標準值設定為29mg/L 。接下來將事先準備好的兩種濃度的酒精(83mg

16、/L 、219mg/L 進行現場檢測,最后兩種情況檢測結果與實際情況完全吻合。檢測儀的工作效果如圖4所示。5結語綜上所述,基于單片機的酒精濃度檢測儀的設計軟件程序的編寫和硬件電路的設計兩部分經過軟、硬件的調試,所有性能均達到了設計指標的要求。硬件電路設計結構簡單、準確度較高,聲光報警器均工作正常。軟件設計采用模塊化設計思想,各個子程序的功能相對獨立,便于調試和升級。通過軟、硬件聯合調試,試驗結果滿足設計要求,達到設計前預期的各項指標要求3。參考文獻:1張艷麗.基于MSP430F149的酒精濃度檢測儀的設計J.自動化技術與應用,2009,28(10:112-114.2周鴻武.基于單片機的酒精濃度

17、檢測儀設計J.制造業自動化,2012,34(1:147-149.3李麗華,黃秋野,王琦.基于單片機的酒精濃度檢測儀設計J.科技廣場,2009,3(3:166-168.(責任編輯:王曉燕Design of Alcohol Concentration Detector Using MCULI Jian-rong ,XUE Ya-ping ,QIAN Song(Yangzhou Polytechnic Institute ,Yangzhou 225127,China Abstract :The paper designs an alcohol concentration detector by using STC12C5A32AD MCU as controller and MQ-3alcohol gas as detecting device.It introduces the features of MCU and sensor and describes the function of system circuit.Then it puts forward the designing of alcohol concentration detector and tests the software and hardware of the des