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(xiàn)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(yīng)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(xué)型)和半導(dǎo)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(xiàn)場使用。與半導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shù)幾個國家能夠生產(chǎn)。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(shù)據(jù)采集、判斷處理、數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?。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(yīng)信號,并且進行轉(zhuǎn)換,儲存在數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)果表明,如果被測者深吸氣后以中等力度呼氣達(dá)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(guān)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(shù)值上相當(dāng)于以毫克/升為單位的呼氣酒精濃度乘上系數(shù)2200(由于各國的情況不同,在美國此系數(shù)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(jié)果不如直接檢測BAC準(zhǔn)確,但是該結(jié)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(dāng)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(zhuǎn)換為輸出電壓的變化,從而可以通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供單片機處理。根據(jù)分析,乙醇濃度增加時,元件電阻R減小,反之亦反,所以當(dāng)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(shù)值,而造成誤讀,所以顯示系統(tǒng)中應(yīng)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(guān)系密切,一般在270℃~300℃范圍敏感度最大,所以設(shè)計時加熱電路也應(yīng)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(fù)時間,為了避免大電流沖擊和指示誤讀,設(shè)計電路時應(yīng)考慮加入延時電路。2單車控制器設(shè)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(yīng)信號,并且進行轉(zhuǎn)換,儲存在數(shù)據(jù)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(jié)果輸出到LED顯示屏幕上。3檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1調(diào)整電路的設(shè)計通過測量,MQK2的輸出信號同酒精濃度為近似的線形函數(shù)關(guān)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(shè)計中加入了一個調(diào)整電路來使其輸出的電壓能夠滿足C8051F040的輸入要求。其調(diào)整電路的原理圖如圖4。采用LM336-2.5作為一個2.5V的基準(zhǔn)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(shè)計的三大原則:集成化、微型化、微功耗,在本設(shè)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(nèi)核,它采用流水線處理(pipeline)技術(shù),不再區(qū)分時鐘周期和機器周期,能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令,提高了指令執(zhí)行效率。而且具有內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器、集成CAN2.0控制器等功能,能夠完成多路數(shù)據(jù)的采集、判斷處理、以及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?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(dá)到了微型化,微功耗的設(shè)計原則。3.3數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片的選擇為了直觀的顯示傳感器所測的當(dāng)前氣體濃度,本設(shè)計選用了一般檢測設(shè)備常用的數(shù)碼管顯示的方式。對于數(shù)碼顯示驅(qū)動芯片的選擇,常用的專用數(shù)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(shù)據(jù)存儲器空間,在設(shè)計中,我們選擇了這種數(shù)碼管進行設(shè)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(shè)計時分別選擇了MAX1658和LM1117。4檢測惡意軟件的設(shè)計4.1ad濾波器主機傳感器采集的信號在經(jīng)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(zhuǎn)換器。選擇C8051F040內(nèi)置的12位AD轉(zhuǎn)換器,各個通道通過軟件進行設(shè)計,進行開關(guān)配置,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。4.2d采集轉(zhuǎn)換設(shè)計本設(shè)計采用單端輸入,單次模式轉(zhuǎn)換功能是個關(guān)鍵,采用了標(biāo)志位查詢的方法。A/D采集轉(zhuǎn)換設(shè)計如圖6。為了使采集的數(shù)據(jù)更加的準(zhǔn)確,循環(huán)采集N次數(shù)據(jù),再把數(shù)據(jù)保存到一個數(shù)組中。再通過求這N個數(shù)據(jù)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(shù)關(guān)系式計算出當(dāng)前氣體的濃度。具體流程圖如圖7。4.3兩種數(shù)據(jù)的傳播本設(shè)計采用的單片機C8051F040內(nèi)部集成CAN2.0控制器,所以采用了CAN總線的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò),所有其它的具體實施措施就在于軟件的設(shè)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(qū)動聲,光等報警設(shè)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(shè)計報警點以及零位設(shè)計等動能。5乙醇-液乙氧標(biāo)準(zhǔn)偏差儀簡稱《南外系統(tǒng)圖2根據(jù)上述研制的多臺樣機,經(jīng)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(yīng)于人體血液中乙醇濃度為80