基于c8051f040單片機的酒精濃度測試系統(tǒng)

基于c8051f040單片機的酒精濃度測試系統(tǒng)

酒后駕車是道路事故的主要原因。為了防止汽車司機在酒后開車，現場實時檢測人體呼氣中的酒精含量，酒精濃度測試正在逐步普及。此外,酒精測試儀也可應用于食品加工、釀酒等需要監(jiān)控空氣中酒精濃度的場合。由此可見,酒精測試儀具有巨大的潛在用戶群,市場前景十分廣闊。目前普遍使用的有燃料電池型(電化學型)和半導體型二種。它們能夠制造成便攜型呼氣酒精測試器,適合于現場使用。與半導體型相比,燃料電池酒精傳感器具有穩(wěn)定性好,精度高,抗干擾性好等優(yōu)點。由于燃料電池酒精傳感器的結構要求很精密,制造難度大,目前世界上只有美國、英國、德國等少數幾個國家能夠生產。本測試儀采用MQK2酒精濃度傳感器檢測人呼出氣體中酒精的濃度并且輸出電壓信號,然后把信號輸出到高集成度的混合集成芯片C8051F040作處理,并完成數據采集、判斷處理、數據的傳輸等功能。測試儀進行氣體測試的基本步驟是:單片機采集酒精傳感器的響應信號,并且進行轉換,儲存在數據存儲器(SRAM)中,然后單片機通過特定的算法進行氣體濃度的識別,并且將結果輸出到LED顯示屏幕上,同時可發(fā)出濃度閾值的光(聲)警報信號。1工作原理分析大量的統(tǒng)計研究結果表明,如果被測者深吸氣后以中等力度呼氣達三秒鐘以上,這時呼出的氣就是從肺部深處出來的氣體。呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量有如下關系。BAC(inmg/L)=BrAC(inmg/L)x2200其中,BAC代表血液酒精濃度,BrAC表示呼氣酒精濃度,inmg/L表示以每升中多少毫克為單位。也就是說,以毫克/升為單位的血液酒精濃度在數值上相當于以毫克/升為單位的呼氣酒精濃度乘上系數2200(由于各國的情況不同,在美國此系數采用2000,而歐洲很多國家采用2100)。由于BrAC受到環(huán)境溫度、濕度,以及被測試者個體差異等多方面影響,其測試結果不如直接檢測BAC準確,但是該結果仍可作為判斷飲酒程度的重要參考。MQK2型酒精傳感器主要由氣敏元件和電熱絲組成。當MQK2傳感器外接5V電壓時,可將電熱絲加熱至270℃~300℃。如圖1所示,電路將MQK2傳感器的阻值變化轉換為輸出電壓的變化,從而可以通過A/D轉換成數字量供單片機處理。根據分析,乙醇濃度增加時,元件電阻R減小,反之亦反,所以當呼出氣體中的氣態(tài)乙醇逐漸擴散后,元件電阻R敏感地變化。若不加處理,則表頭指針擺動幅度,將隨之變小,無法及時讀出測量數值,而造成誤讀,所以顯示系統(tǒng)中應加入保持電路,使指針保持在測量時指示的最大值位置。此外,由于MQK2傳感器是旁熱式。且敏感度與工作溫度關系密切,一般在270℃~300℃范圍敏感度最大,所以設計時加熱電路也應該加入穩(wěn)壓電路。由于氣敏傳感器存在初期穩(wěn)定時間和初期恢復時間,為了避免大電流沖擊和指示誤讀,設計電路時應考慮加入延時電路。2單車控制器設計由MQK2酒精濃度傳感器檢測人呼出氣體中酒精的濃度,并且輸出電壓信號,以C8051F040單片機為核心的控制、信號采集處理、聲光報警電路以及顯示、鍵盤、PC接口電路,如圖2所以示。測試儀進行氣體檢測的基本步驟是單片機采集酒精傳感器的響應信號,并且進行轉換,儲存在數據存儲器(SRAM)中,然后單片機通過特定的算法進行氣體濃度的識別,并且將結果輸出到LED顯示屏幕上。3檢測系統(tǒng)的硬件設計3.1調整電路的設計通過測量,MQK2的輸出信號同酒精濃度為近似的線形函數關系如圖3。在酒精濃度為0時,其輸出電壓為3v。但由于其輸出的電壓范圍超過了C8051F040的輸入電壓范圍,所以在本設計中加入了一個調整電路來使其輸出的電壓能夠滿足C8051F040的輸入要求。其調整電路的原理圖如圖4。采用LM336-2.5作為一個2.5V的基準電壓,采用差動輸入使得VOUT=VC2H5OH-2.5V從而使得傳感器信號的輸出符合C8051F040的范圍。3.251f490是混合信號系統(tǒng)級芯片為了減小系統(tǒng)功耗和體積,圍繞測試儀器設計的三大原則:集成化、微型化、微功耗,在本設計中選用了SiliconLaboratories公司出品的C8051F040單片機。它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC),該款單片機具有與MCS-51完全兼容的指令內核,它采用流水線處理(pipeline)技術,不再區(qū)分時鐘周期和機器周期,能在執(zhí)行指令期間預處理下一條指令,提高了指令執(zhí)行效率。而且具有內部集成A/D轉換器、集成CAN2.0控制器等功能,能夠完成多路數據的采集、判斷處理、以及數據的傳輸等功能,使整個系統(tǒng)由一個單片機就控制起來。這樣使得整個儀器的體積和功耗達到了微型化,微功耗的設計原則。3.3數碼顯示驅動芯片的選擇為了直觀的顯示傳感器所測的當前氣體濃度,本設計選用了一般檢測設備常用的數碼管顯示的方式。對于數碼顯示驅動芯片的選擇,常用的專用數碼顯示電路是MAX7219,在使用性能上,它使用方便靈活,連線簡單,不占用數據存儲器空間,在設計中,我們選擇了這種數碼管進行設計。MAX7219與單片機連接采用三線串行接口,典型電路如圖5所示。3.4傳感器等模塊的選擇對于核心的微處理器采用+3.3V供電,但是對于傳感器等模塊需要穩(wěn)定的+5V供電,因此設計時分別選擇了MAX1658和LM1117。4檢測惡意軟件的設計4.1ad濾波器主機傳感器采集的信號在經過處理后,信號的幅度范圍都在0~3.3V之間,滿足單片機的信號輸入范圍。信號接單片機的單斷輸入通道,進入12位的AD轉換器。選擇C8051F040內置的12位AD轉換器,各個通道通過軟件進行設計,進行開關配置,實現數據的采集。4.2d采集轉換設計本設計采用單端輸入,單次模式轉換功能是個關鍵,采用了標志位查詢的方法。A/D采集轉換設計如圖6。為了使采集的數據更加的準確,循環(huán)采集N次數據,再把數據保存到一個數組中。再通過求這N個數據的平均值來確定傳感器采集的信號。最后通過傳感器信號與氣體濃度的線性函數關系式計算出當前氣體的濃度。具體流程圖如圖7。4.3兩種數據的傳播本設計采用的單片機C8051F040內部集成CAN2.0控制器,所以采用了CAN總線的數據傳輸方式。用C8051F040集成的CAN2.0B控制器,只需外加一個CAN收發(fā)器件,即可連入CAN網絡,所有其它的具體實施措施就在于軟件的設計,其流程圖如圖8所示。4.4出腳高低電平通過單片機程序控制,判斷是否報警,即單片機某一輸出腳高低電平,通過外部上拉電阻來控制三極管驅動聲,光等報警設備。如果有需要還可以過單片機控制外部控鍵,通過外部按鈕設計報警點以及零位設計等動能。5乙醇-液乙氧標準偏差儀簡稱《南外系統(tǒng)圖2根據上述研制的多臺樣機,經檢驗,酒精濃度測試儀的測量范圍0.04~0.72mg/L,誤差不超過0.02mg/L,對應于人體血液中乙醇濃度為80