本站原创【摘 要】近年来,随着社会的进步,经济的提升,人民的生活水平也越来越高,更多的人有了私家车,然而酒后驾车造成的交通事故数量也随之上升.鉴于人们对于醉酒驾驶越来越重视,酒精浓度的检测引起了广泛的关注.本设计是一种以单片机AT89S52为主,运用了气敏传感器MQ-3,由模数转换器ADC0832进行模数转换,可以进行声光报警及数码管显示的酒精浓度检测仪.此设计可检测出驾驶员体内的酒精浓度,并可监测空气环境中的酒精浓度,对不同的环境设定不同的报警值,对超过报警值的酒精浓度进行声光报警.
【关 键 词】酒精浓度检测；AT89S52；ADC0832；MQ-3
1.前言
在酒驾事故中,很多是由于驾驶员饮酒过量导致的,当体内酒精浓度过高时,大脑反应速度会减慢,肢体不受控制,表情就会有异常,呼出的气体也会带有酒味,不饮酒或者饮少量的酒就不会导致以上症状,也就是说,当体内的酒精浓度不高时,就不会因饮酒引起危险事故.现在,酒精的测量技术已经有了不少的提升,有很多先进微处理器的酒精测试仪已经被商品化.禁止酒后驾车的规定已经在越来越多的国家开始,传统的法医血液酒精分析和精确的呼出气体酒精测试相比,有很大的差距,例如,气体酒精浓度测试可进行现场处理,可以进行无毒采样,使交通控制更加高效.所以,需要设计一个酒精浓度检测仪来测量驾驶员体内酒精浓度.
2.总体设计
2.1设计任务
传感器MQ-3根据酒精浓度的变化,其阻值也会随着变化,通过取样电阻的电压变化表现出来；人体血液中酒精浓度不同,其呼出的气体中酒精浓度也会不同.把MQ-3输出的电压以取样电压的形式送到模数转换器,进行A/D转换,将转换后的数据送到单片机进行处理,如果酒精浓度的数值超过了所设定的报警值,则报警器报警,相应的二极管发光,数码管显示酒精浓度的值.
2.2设计要求
（1）传感器电压输出范围为0-5V.
（2）模数转换芯片ADC0832电压输入范围为0-5V,分辨率为8位,输入输出电平与TTL/CMOS相兼容.
（3）单片机具有256字节RAM标准功能.
（4）数码管采用动态显示方式.
2.3系统整体设计方案
单片机酒精浓度检测仪使用MQ-3酒精传感器采集气体信号,并通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号送至单片机,由单片机对数字信号进行分析处理,并将所得的结果通过数码管显示出来.键盘采用3个独立键盘设置不同环境下酒精浓度的不同报警值,如果所检测的酒精浓度超出了所设定的报警值,由蜂鸣器和LED灯进行声光报警.显示部分由1个四位一体共阳数码管显示当前数据,数码管由4个三极管来控制位选.
3.硬件设计
硬件设计电路框图如图3-1所示.
图3-1硬件方案总体框图
3.1传感器介绍
由于周围空气中的气体成分可能会影响到传感器测量的准确性,因此传感器要对其他气体不敏感,只能对酒精气体敏感,故选用MQ-3型气敏传感器,它有很高的灵敏度、良好的选择性、可靠的稳定性和长期的使用寿命.MQ-3型气敏传感器是由微型Al2O3,SnO2敏感层、陶瓷管、加热器和测量电极构成的敏感元件固定在不锈钢或者塑料的腔体内,加热器是一个必不可少的元气件,它为气敏元件的工作提供了必要的工作条件.加热回路与信号输出回路组成了传感器的标准回路,其中,传感器表面电阻值的变化,可由信号输出回路准确反映；通过负载电阻RL上的输出电压,就能知道表面电阻的变化.为了使测量的结果更精确,误差减到最小,需要有合适的温度,正常情况下,在测量前需要将传感器先预热3-5分钟.MQ-3标准回路如图3-2所示.
图3-2MQ-标准回路
科学研究已经证明,血液中的酒精含量与呼气中的酒精含量有如下的关系：
BAC（inmg/L）等于BrAC（inmg/L）x2200
其中,BAC表示血液中酒精的浓度,BrAC表示呼气中酒精的浓度.
由表3-1血液酒精含量临界值就可以对驾驶人员的酒驾行为进行定性,如血液酒精浓度低于200mg/L,可以对其酌情处理；血液中的酒精含量大于200mg/L而低于800mg/L,则是酒后驾驶,大于或等于800mg/L则是醉酒驾驶[2].
3.2A/D转换芯片ADC0832
通常片选使能端CS、芯片时钟输入端CLK、数据信号输出端DO、数据信号输入端DI与单片机相连接.由于DI端与DO端在通信时并不是都有效的,将DO端和DI端在同一根数据线上使用,ADC0832不工作时,其CS输入端为高电平,CLK和DO/DI的电平任意.进行A/D转换时,CS处于低电平,由单片机向CLK输入脉冲,在第1个脉冲的下沉之前DI端为高电平,DI端在第2、3个脉冲下沉之前输入2位数据用于选择通道功能,CH0为模拟输入通道0,CH1为模拟输入通道1.如果2位数据都为1时,对CH1进行单通道转换,分别为1和0时,只对CH0进行转换；分别为0和1时,用CH0作为负输入端,CH1则作为正输入端；都为0时,CH1则作为负输入端,CH0作为正输入端.第3个脉冲下沉以后,DI端不再输入,开始利用DO端,对数据进行读取.从第4个脉冲下沉开始由DO端输出数据最高位DATA7,每下沉一个脉冲,DO端就相应输出一位数据.到第11个脉冲输出最低位DATA0,一个字节输出完成；然后从第11个字节的下沉输出DATD0,连续输出8位数据,到第19个脉冲时数据输出完成,一次完整的A/D转换结束,将CS置高电平[3].
3.3数码管
每一个LED显示块由8个发光二极管构成,每一个发光二极管对应一个段,共8段.为了使LED显示器显示出不同的字型,需要把不同段的发光二极管点亮,这就需为LED显示器提供代码,因为这些代码可使LED相应的段发光,从而显示出不同数字和符号,该代码称为段码.由N个LED显示块可拼成N位的LED数码显示器.每一个LED显示块由1位位选线和8根段码线构成.段码线控制字符的字型,位选线控制LED显示位的亮或暗,由于采用动态显示,在同一时刻,只有选通的那一位显示出字符,其他3位LED是熄灭的.按照这样,不断的循环,就能使各位显示出将要显示的字符.由于视觉暂留作用和LED的余辉,只要时间间隔足够小,则能给人造成同时亮的假象,达到同时亮的效果.
3.4键盘电路与蜂鸣器报警电路
3个键盘分别接单片机的3个引脚.使用时需先将P1.0～P1.2全部置1,然后判断是否有键按下,如果键盘输入端变为低电平,表明此键盘已按下,如果键盘输入端为高电平,表明此键没有被按下,如图3-3所示.在软件编程的时候,需注意键盘消抖.
当输入端为高电平时蜂鸣器不报警.而当输入端为低电平的时候,蜂鸣器就会发出报警声音.报警电路如图3-4所示.
图3-3独立键盘电路
图3-4蜂鸣器报警电路
4.软件设计
4.1主程序模块
主程序实现的功能：与硬件相结合实现酒精浓度检测系统的各个功能.主要是检测与显示,见图4-1所示.
图4-1主程序流程图
图4-2模数转换流程图
4.2A/D转换模块
模数转换器的功能是将模拟信号转化为数字信号,传送给单片机.ADC0832转换的流程图见图4-2所示.
4.3报警子程序模块
系统设定报警值并转换为压缩的BCD码存放在两个存储单元中,这些在报警子程序执行之前实现.当传感器输入值进行A/D转换后,就会调用比较程序,经过数据处理后显示的测量值与报警值比较,如果小于报警值就继续执行显示程序.若大于报警值则将通过单片机进行声光报警.
5.软硬件联合调试
当传感器检测到被测气体时,传感器MQ-3调整电路决定了电压每升高0.1V,实际被测气体的浓度增加20ppm（1ppm等于1mg/kg等于1mg/L常用来表示气体浓度,或者溶液浓度）,也就是说,数字量电压值1000mV对应血液中 的的酒精浓度为200mg/L,电压值与血液中的酒精浓度值在数值上的关系为：B（mg/L）等于A（mV）x0.2,其中B代表血液中的酒精浓度值,单位为mg/L,A代表数字量电压值,单位为mV,我们根据这个关系就可以在单片机里面将测得的数字量电压值转换为血液中的酒精浓度值.硬件与软件联合,对本实物进行调试,通过检测,可得出以下结果,如表5-1所示.
通过软、硬件联合调试,从实验结果中,可以得出呼出气体中酒精浓度与血液中酒精浓度关系,与BAC（inmg/L）等于BrAC（inmg/L）x2200数值关系相对应,从而可以确定此系统的准确性满足设计基本要求,达到设计指标,从而也验证了本次设计的准确性.
6.结论
本设计以AT89S52为主,设计过程包括硬件设计和软件编写.硬件电路部分结构清晰、使用简单.软件部分采用模块化设计思想,便于调试和修改.该系统具有以下意义：（1）提高人们的法律意识；（2）能够便捷,准确,安全的检测人体内的酒精浓度及监测空气中的酒精含量.体积小、性价比高、功耗低的特点,使其具有一定的使用和推广价值.