冯亚军

（忻州职业技术学院 机电系，忻州 034000）

设计酒精检测仪的目的是减少因酒驾而造成的交通事故，从而保证人们的生命财产安全。酒精测试仪还可以用于酒厂、化妆品厂、酒精消毒厂等场所，以测试场所的酒精浓度，从而避免火灾事故的发生[1]。多数国家检测酒驾的方式都是用带有呼吸装置的酒精检测仪检测。按照我国现有的技术，现在有5种类型的酒精测试设备，分别为半导体型、燃料电池型、气体色谱型、比色型和红外线型。其中，半导体型和燃料电池型设备的成本较低，被广泛应用于各种场合。燃料电池型设备是一种环保型的产品，能够把气体直接转化成电能，不会对环境、气候造成污染。正因为它的环保功能，世界上各国都在积极研究它的应用。燃料型电池的应用范围也很广，如酒精传感器，但是它对技术方面要求相对较高，生产成本也较高，制作过程难度较大，因此没有被广泛应用[2]。

1 总体设计

1.1 设计要求

微控制器和传感器功耗低、体积小、稳定性高，在智能仪器中具有很大的应用价值，在各个领域应用广泛。在本设计中选择单片机作为系统控制中心。

在设计过程中，因为测试是由将物理量转换为电能的传感器进行的，传感器输出的只是一个稳定的电压值，所以输出电压可以通过A/D转换器转换成数字信号，然后发送到单片机进行处理和分析，最后通过液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）显示预设的阈值和测试结果[3]。同时，系统会自动将测试结果与预定义的阈值对齐，如果超出预定范围就会触发声音报警系统，同时红色发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯闪烁。系统设计框图，如图1所示。

1.2 单片机的选取

单片机是一种采用先进技术的微芯片，具有超薄、抗干扰能力强、控制功能强等诸多特点。目前，微控制器的应用技术已经扩展到各个领域，因此了解和掌握微控制器是非常重要的[4]。MCS-51单片机以其低功耗、高性价比、反应速度快和强大的功能在众多单片机型号中脱颖而出。本系统采用升级版51 MCU-89C52作为通用控制核心，集成了如512 Bytes的RAM和原始基础上的时钟输出等许多功能，而且其指令代码可以直接应用于其他单片机[5]。

1.3 传感器的选取

传感器是气体检测系统的核心，其优点和缺点决定了最终成品的质量，电路如图2所示。因此，传感器的选择应根据设计要求分层过滤、严格筛选。由于该测试仪主要测量人呼气时的酒精浓度，因此使用了气体敏感传感器。SQ-3传感器通常由微型AL2O3陶瓷管和敏感材料（如二氧化锡、测量电极和加热元件）组成，传感器的内部回路通常由加热回路和信号输出回路组成。测量时，酒精气体被室内加热器加热并燃烧，有助于提升SnO2的导电性，从而降低传感器的内阻，并逐渐增大Vout值。传感器的最终输出电压为0～5 V。在一定范围内，酒精浓度越高，输出电压越大。

1.4 模数转换模块

随着集成电路的快速发展，采用新材料和新设计的模数转换器不断出现。由于各种不同的检测和控制需求以及不同的结构设计，市场上逐渐出现了各种各样的模数转换器。通常有3种类型：第一，内置双型A/D转换器，优点是精度更高、抗干扰能力好，缺点是转换速度慢，不适合现场测量场合；第二，V/F型A/D转换器，能够将电压信号转换为频率信号输出，转换后的信号不符合要求；第三，连续近似A/D转换器，虽然不能与双积分相比，但转换速度比双积分快得多，更符合设计的需要[6]。连续比较A/D转换器与这3种转换器的区别在于性价比高，是最常用的A/D转换设备。所选设计为ADC0809，属于上述第三类模数转换器，如图3所示。

1.5 显示屏

在很多款式的显示模块中，经过反复对比选择，由于LCD1602功耗低、抗干扰能力强，最终决定将LCD1602作为该酒精测试仪的输出。LCD1602作为一种字符液晶显示模块，可以同时显示32个字符，在市场上比较常见。在单片机应用中，通常采用光管、数码管、液晶屏这3种输出方式，其中光管和数码管是比较常见的输出模式，软硬件比较简单[7]。

2 硬件设计

当酒精传感器检测到要测量的气体时，酒精传感器的输出电压会发送到A/D转换模块。模数转换后，信号通过算法处理和分析传输到单片机。同时，系统会将结果与预设阈值进行比较，超过预设值时会自动报警，并将结果显示在显示屏上。系统存储电路，如图4所示。

2.1 键盘电路设计

为了使装置使用更加方便，本设计选用按键接低电平的方法来读取按键信号。当单片机处于正常状态时，该端口为高电平。使用过程中，单片机会持续查询端口状态，直到有按键按下时该端口跳变为低电平，然后单片机调用相关程序[8]。

由于本设计只有5个按键，而且其中1个是复位按键，1个为启动按键，实际上只有3个按键参与了预设阈值的互动。因此，这里选取独立式键盘。

独立键盘通过微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）来读取I/O口的电平，从而确认是否有按键操作。通常是将启动按钮的一端接地，另一端与I/O口连接。如图5所示，在初始化状态时，该I/O口是一个高电平。没有按键按下时，此I/O口将保持在较高的电平；当按下按键时，此I/O口和地面短接会迫使端口跳转到一个较低的电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻会使I/O口变回高水平。因此，可以此设计一个程序来查找I/O口的电平状态，使单片机可以识别是否按下了按键。

2.2 报警电路设计

目前，发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）已被广泛应用于各个领域。它由含有镓（Ga）、砷（As）、磷（P）以及氮（N）等的化合物组成。复合空穴释放的能量会发光。在本设计中，选择两个彩色LED来显示酒精浓度是否超标，设计图如图6所示。当酒精浓度超标时，LEDR闪烁，LEDG熄灭；正常时，LEDG闪烁。

蜂鸣器是一种以感应直流电压为电源的电子发声装置，广泛应用于闹钟、音响、电脑、打印机以及复印工控设备等电子产品的音响或报警装置。在电路图中，蜂鸣器通常用字母“H”表示。根据它的内部结构不同，可分为电磁式和压电式。其中，压电式蜂鸣器通常由振荡器、压电式蜂鸣器、阻抗匹配器和谐振箱等组成。振荡器接通电源后开始振动并输出更高频率的信号，最终压电蜂鸣器被阻抗矩阵制动。当压电薄膜和谐振盒的频率相同时，就会产生谐振和发声。与压电型蜂鸣器不同，电磁蜂鸣器除了振荡器和振动膜片外，还包含磁铁和电磁线圈等部件。它的启动程序与压电式相同，都是由振荡器产生电流，但是电磁蜂鸣器是利用交变磁场使振膜轻微振动，从而使蜂鸣器周期性发声[9]。

3 结语

本次设计可以分为硬件电路和软件编写两部分。其中：硬件部分包括单片机、传感器、液晶屏、按键、蜂鸣器以及LED灯等电路设计；软件部分包括相关程序的编写和调试。设计要求和功能要求通过STC89C2单片机实现，通过MQ-3气体传感器检测酒精浓度值，输出信号经过相关电路处理转换成与其对应的电压信号传送到单片机系统中，然后进入模/数转换电路。信号的处理由STC89C52单片机及外围电路进行操作。信号处理完成后，LCD1602液晶显示屏会把酒精浓度的测量值显示出来。当酒精浓度值超过酒驾的阈值时，LED灯就会亮起；当酒精浓度值超过醉驾的阈值时，LED灯亮起并且蜂鸣器鸣叫。此设计产品拥有操作简单、反应灵敏、检测准确、可以调节等特点，在现实生活中具有重要的实用价值。