酒精檢測裝置電路設計

① 酒精含量檢測儀（一種無線酒精濃度探測儀的研製）

在食品工業、釀酒行業、石化笑稿芹和工礦企業、環境檢測、公安交通管理、社會公用事業等一些國民經濟生產和人們工作生活的領域和場合中，常常需要檢測特定環境中酒精氣體的濃度，以確保工廠企業環境安全和人民生命財產安全[1-4]。如監控酒精生產車間和石化廠的酒精濃度，可以避免工廠起火和爆炸事故的發生；監測工礦企業場地的酒精濃度，能避免工作人員出現酒精中毒等惡性事故；檢測司機體內酒精含量，可以防止駕駛人員酒後駕車，減少惡性交通事故的碰畢發生。因此，研製酒精氣體濃度檢測儀具有十分廣闊的現實和潛在的市場需求，並具有十分重要的意義。傳統的酒精氣體檢測儀因感測器性能、電路設計、數據處理演算法等原因，存在著氣體選擇性不高、抗干擾性能差、智能化程度低、儀器操作復雜、無法實時保存和調看數據等突出問題[3-4]。鑒於此，筆者設計和研製了一種無線智能酒精濃度探測儀，彌補了傳統酒精檢測儀器的缺點和不足。

1 系統總體方案

該酒精濃度探測儀由發送端和接收端兩部分組成，其原理框圖分別如圖1和圖2所示。發送端主要包括酒精濃度感測器與A/D轉換電路、STC90C52RC單片機、濃度閾值設置與聲音報警電路、語音播報電路、LCD顯示電路和無線收發電路六部分；接收端由無線收發電路、STC90C52RC單片機、數據介面通信電路和上位計算機組成。

2 系統硬體電路設計

2.1 感測器電路與A/D轉換電路

TGS2620為日本費加羅(FIGARO)公司生產的一款可以探測氣體中酒精濃度的半導體氣體感測器，具有靈敏度高、功耗低、壽命長、成本低等特點[5-6]。其電路連接如圖3所示，其中，RH為加熱器電阻，室溫下時為83±8 Ω；RS為感測器電阻，其阻敬乎值和還原性氣體濃度之間的數學關系為：

通過檢測VRL就可以確定出待測氣體濃度C。

電路中運放OP07接成電壓跟隨器形式，對感測器和後級電路進行隔離，減小電源波動和外界因素對采樣數據的影響。ICL7660是MAXIM公司生產的小功率極性反轉電源轉換器，作用是將+5 V電源變換成-5 V電源為OP07供電。其中，CC2採用漏電小、介質損耗低的10 μF鉭電容，以提高電源轉換效率。TLC1549是TI公司生產的10位解析度逐次逼近型ADC晶元，具有自動采樣和保持、可按比例量程校準轉換范圍、抗雜訊干擾功能，在滿刻度時總誤差最大僅為±1 LSB。

2.2 LCD顯示、閾值設置與聲音報警電路

16×2個字元液晶顯示模塊DM-162顯示報警閾值和酒精濃度值。為了減少單片機I/O口的使用數量和簡化電路結構，採用間接控制(4位數據匯流排)方式，介面電路如圖4上部分所示。初始化時，需寫入28H指令碼將8位匯流排轉為4位數據介面方式。管腳BLA、BLK和VL分別是液晶背光源正極、負極和顯示對比度調整端，RS、E分別是寄存器選擇端、讀/寫信號線和使能端。

酒精濃度閾值設置和聲音報警電路如圖4下部分所示。當設置鍵S1按下時，進入閾值設置(初始閾值為500 ppm)界面，再按下鍵S2或S3，對閾值作增加或減小操作，步長為20 ppm。閾值設置好後寫入STC90C52RC單片機片內5 KB EEPROM的第一扇區2000H和2001H地址中，使系統重啟不必重新設置。若酒精濃度值大於閾值，將P0.7口線置為低電平，三極體8550驅動蜂鳴器發聲音報警。

2.3 語音播報電路

採用華邦(Winbond)公司的ISD2560語音錄放集成晶元作酒精濃度值播放，電路如圖5所示。話筒採用差分形式接入到片內前置放大器的MIC端和MIC REF端，以抵消雜訊和提高輸入共模抑制比。揚聲器接成雙端輸出形式，輸出功率為單端用法時功率的4倍。單片機的P2口、P3.0和P3.1口線分別與地址線A0~A9相連，用來設定ISD2560片內480 KB EEPROM(地址為0H~257H)中存儲語音段的起始地址，錄音和放音功能均從該起始地址開始，錄音過程中信息段地址自動增加。本系統在ISD2560中需錄入語音信息有：「當前酒精濃度值為」、「零」、「一」、「二」、「三」、「四」、「五」、「六」、「七」、「八」、「九」、「十」、「百」、「千」、「點」、「ppm(濃度單位)」。由於ISD2560的語音錄放時間為60 s，按每秒3個漢字計算，則可錄放180個漢字，因此滿足播報要求。此外，通過P3.0、P3.1和P2.0~P2.6口線可以配置ISD2560的操作模式[7-8](地址為300H~3FFH)。P3.4~P3.6口線分別用來控制語音晶元的片選、晶元的開關、錄音/放音模式選擇。P3.2口用來判斷晶元的存儲空間是否已經填滿或者信息存儲是否溢出。由於錄音時在每個信息段結尾處自動插入標志，當放音遇到該標志時產生寬約為12.5 ms的負脈沖。用P3.3口檢測到此脈沖的上升沿後才播放另一段錄音，避免語音播放不連續。

2.4 無線收發電路

系統採用NORDIC公司生產的工作於2.4~2.483 5 GHz的ISM頻段的單片無線收發器晶元nRF24L01完成無線數據的收發工作，nRF24L01的最高傳輸速率為2 Mb/s，電路如圖6所示。穩壓晶元LM1117-3.3 V將5 V輸入電壓轉換成3.3 V給nRF24L01供電。nRF24L01與單片機介面為四線SPI方式，CSN、SCK、MOSI、MISO管腳分別是SPI的片選使能線、時鍾線、數據輸入線、數據輸出線。IRQ為中斷信號線(低電平有效)，接至單片機的外部中斷管腳，單片機主要是通過該介面線與nRF24L01進行通信並判斷數據接收和數據發送是否完成。CE為晶元的RX/TX模式選擇線。IREF為參考電流輸入端，通過22 kΩ電阻接地。管腳ANT1和ANT2給天線提供平衡的RF輸出，通過後接的簡單射頻網路匹配電路獲得單端50 Ω的阻抗輸出。網路匹配電路在發送模式時阻止諧波，在接收模式時克制本地振盪漏出。VDD_PA管腳輸出1.8 V電壓，給片內功率放大器提供電源。

2.5 數據介面通信電路

接收端的計算機與單片機間的通信由串列USB介面集成電路CH340T完成，如圖7所示。CH340T支持USB1.1或者USB2.0/USB3.0通信，具有模擬介面，並且可以升級外圍串口設備，支持常用的MODEM聯絡信號，支持IRDA規范的SIR紅外通信，提供RS23RS48RS422介面等功能。CH340T內置有獨立的收發緩沖區，支持通信波特率50 b/s～2 Mb/s的單工、半雙工、全雙工等非同步串列通信。圖7中，在CH340T晶元的發送腳TXD上反接一個二極體1N4001，防止該引腳將電流倒灌到單片機；在接收引腳RXD上加一個300 Ω的限流電阻來防止單片機對CH340T倒灌電流；從而避免電流倒灌導致不需要供電工作的另一方晶元繼續工作。

3 系統軟體設計

3.1 下位機軟體設計

下位機的程序開發和調試是在Keil μVision4集成開發環境下進行的，包括發送端和接收端的軟體設計。

3.1.1 發送端軟體設計

發送端軟體流程如圖8所示。單片機上電後進行系統初始化，完成單片機內部系統變數的初始化以及TLC154DM-16ISD2560和nRF24L01等外部設備的初始設置；然後延時大約5 min，預熱感測器TGS2620，保證感測器工作正常；程序初始化結束後，系統進入監控狀態。若報警閾值設置鍵按下，進入報警限設置模式；若錄音鍵按下，進入錄音模式；然後啟動A/D轉換獲取采樣數據，作濾波處理、標度變換和系統誤差校正後得到被測酒精濃度值。該值與報警閾值比較，若結果是「大於」或「等於」，啟動蜂鳴器發聲程序，作聲音報警，提示酒精濃度超標；接著該值在DM-162液晶模塊上實時顯示；最後判斷放音鍵是否按下。若按下則根據酒精濃度值查找ISD2560中對應語音信息的存儲地址開始放音；放音結束後，該值由nRF24L01發送程序發送到接收端；待發送完成後，採集、顯示和發送新一輪的酒精濃度數據。

發送端軟體應用了防脈沖干擾平均濾波法[9]對A/D采樣數據作預處理。其原理是：連續采樣K次，然後對這K個采樣數據進行比較，去除其中的最大值和最小值，計算剩下的K-2個數據的算術平均值作為采樣有效值。該方法融合了中位值濾波法和算術平均濾波法的優點，既可去掉脈動性質的干擾，又可消除偶然出現的脈沖性干擾引起的采樣值偏差。為加快計算速度，設計數字濾波器時K=10。

為了提高系統的實時性，軟體中採用分段線性插值法[10-11]作標度變換。過程如下：(1)按感測器TGS2620的標定曲線，將該曲線進行非等距分段(曲率變化大(小)時，樣點距離取小(大))，選取各分段點坐標(VRLi，Ci)(i=0，1，…，M)，其中：VRLi和Ci分別為不同樣點時感測器輸出電壓值和對應濃度值；(2)計算相鄰樣點間的擬合直線斜率ki=(Ci+1-Ci)/(VRLi+1-VRLi)(i=0，1，…，M-1)；(3)將M組坐標數據(VRLi，Ci)和對應斜率ki存儲於單片機片內EEPROM的第二扇區(地址為2200H~23FFH)中；(4)每採集到一個電壓值VRL即查詢EEPROM表，找出VRL所在區間(VRLi，Ci)~(VRLi+1，Ci+1)，取出該區間(VRLi，Ci)和ki數據，用線性插值公式C=Ci+ki(VRL-VRLi)計算出當前酒精濃度值C。

將採集到的N個樣本數據(xi，yi)代入式(5)中即得到系數a、b的值，並存入單片機的內存單元中。系統測量時，將標度變換後的酒精濃度測量值x代入誤差校正方程y=ax+b中，即可得到校正後的酒精濃度值y，從而達到消除系統誤差的目的。

3.1.2 接收端軟體設計

接收端單片機的軟體流程如圖9所示。接收端開機上電後，程序初始化設置nRF24L01和串口，然後進入監控場景。當nRF24L01接收到一幀完整的酒精濃度數據後，立即通過串口發送到上位機。接收端單片機與PC之間數據交互採用非同步通信模式。獨立波特率，串口協議設置為：波特率9 600 b/s，8 bit數據位，1 bit停止位，無校驗位。

3.2 上位機軟體設計

上位機用戶界面採用通用的基於對象的程序設計語言Microsoft Visual Basic 6.0開發，實現酒精濃度數據的接收、顯示和保存。軟體用到了串列通信控制項MSComm。MSComm控制項是Microsoft公司提供的Windows下串列通信編程的ActiveX控制項，通過對此控制項的屬性和事件進行相應的編程操作，即可輕松地實現串列通信。串口通信協議與接收端完全相同。上位機軟體的程序流程如圖10所示。

4 系統測試

為了檢驗本系統的測量性能，採用無水乙醇和純凈水按照一定體積比配製標準的酒精溶液作為被測量對象，測試結果如表1所示。其中：單位ppm=μg/mL表示1 mL酒精溶液中含酒精的質量。由測量結果可以看出，測試數據覆蓋感測器的量程，測試最大相對誤差小於±2%，優於同類設計產品[3-5]。

為了獲得本儀器發送端與接收端的最大無錯誤率的通信距離，在室外進行了nRF24L01隨距離的錯誤率(臨界區間)測試實驗，結果如表2所示。其中，每米的錯誤率是10次試驗後計算得到的平均值。可見，nRF24L01的傳輸距離可達到100 m，略高於RFID、ZIGBEE和藍牙等無線通信技術[12]。

5 主要技術指標

本儀器主要技術指標如下：(1)測量范圍：50~5 000 ppm；(2)靈敏度(感測器電阻變化率)：0.3~0.5；(3)測量精度：≤±2%；(4)傳輸距離：≤100 m；(5)工作電源：DC+5 V；(6)工作環境溫度：-40 ℃~+70 ℃；(7)工作環境相對濕度：0~85％RH。

6 結束語

本文設計研製了一種基於STC90C52RC單片機、TGS2620酒精感測器和nRF24L01無線通信晶元的酒精濃度探測儀。該儀器現已投入到成都市某小型釀酒廠酒池的實際生產中。現場工作情況表明：系統運行正常，工作可靠；系統具有氣體選擇性和靈敏度高、穩定性好、智能化程度高、通信距離遠、功耗低、抗工業干擾能力強、性價比優異等優點。該儀器可以應用於食品加工行業、工礦企業、石油和化學工業、環境檢測與保護、社會公用事業、高空作業人員、公安交通管理（如酒後駕車、交通警察執法）等需要現場檢測或無線遙測酒精氣體濃度的場合中，市場應用前景廣闊、推廣價值較高。

參考文獻

[1] 李海濤.基於QNX的遠程車載酒駕智能監控系統[J].電子技術應用，2014，40(8)：136-139.

[2] 宋曉宇，高國偉，李世川，等.基於單片機控制的酒精濃度檢測系統的設計[J].感測器世界，2017，23(8)：18-23.

[3] 俞露蘆，陶大錦.基於單片機的酒精濃度檢測儀的設計[J].微型機與應用，2014，33(22)：34-36.

[4] 葛毓.基於GPRS/GPS的車載酒精檢測和控制電路的設計[D].南昌：南昌大學，2010.

[5] Zhang Zhe，Tong Jin，Chen Donghui，et al. Electronic nose with an air sensor matrix for detecting beef freshness[J].Journal of Bionic Engineering，2008，5(1)：67-73.

[6] FIGARO Group.General Information for TGS sensors[EB/OL].(2008-04-23)[2019-07-03].http：//www.figarosensor.com/procts/common(1104).pdf.

[7] 程可嘉，王振松，劉曉雲.ISD2560在門禁系統語音播報中的應用[J].自動化技術與應用，2009，28(5)：75-77.

[8] 胡珍玉.智能語音提示器系統設計[J].應用能源技術，2012，15(12)：34-38.

[9] 張秀再，陳彭鑫，張光宇，等.河流水質實時監測系統[J].電子技術應用，2015，41(2)：82-85.

[10] 梁曉雷.基於單片機的分段線性插值演算法實現[J].電腦知識與技術，2012，8(21)：5236-5243.

[11] 韓瀟，曾立，占豐，等.基於分段多項式近似的DDFS研究及FPGA實現[J].電子技術應用，2018，44(3)：22-30.

[12] 佚名.各種主流無線通信技術[EB/OL].(2018-05-11)[2019-07-03].http：//tech.rfidworld.com.cn/2018_05/d78-ffddd177e3bca.html.

胡仕兵，陳子為

(成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都610225)

② 根據已具備的氧化還原反應知識和電學知識，利用提供的實驗Hj品按照題意要求設計一套電池裝置．提供的，用

（1）當選擇用AgNO₃溶液作為電解質溶液時，無論選擇何種材料為電極，構成的原電池中，正極發生的反應都是銀離子得到電子，電極反應為：Ag⁺+e^-=Ag↓，
故：原電池的正負反應為：Ag⁺+e^-=Ag↓；
（2）硫酸為電解質溶液，可以選擇鋅和銅為電解，構成的原電池裝置簡圖為；
（3）①負極金屬鋅失去電子生成鋅離子，發生了氧化反應，電極反應式為：Zn-2e^-=Zn²⁺，
故答案為：鋅（電極）；氧化；Zn-2e^-=Zn²⁺；
②該原電池的正極氫離子得到電子生成了氫氣，所以正極現象為：銅片上有氣泡產生，但銅不溶解，
故答案為：銅片上有氣泡產生，但銅不溶解；
③原電池中電流方向為正極流向負極，該原電池中鋅為負極，銅為正極，電子流動方向與電流方向相反，電子由負極鋅片上流出，經導線、小燈泡流入正極銅片上，
故答案為：電子由負極鋅片上流出，經導線、小燈泡流入正極銅片上．

③ 酒精濃度測試儀

酒精濃度檢測儀主要是以酒精感測器和單片機為平台設計而成的。
酒精濃度檢測儀主要是用來檢測酒精濃度的，它主要由酒精感測器、模數轉換器、單片機、LCD 顯示、鍵盤以及聲音報警構成。
酒精感測器將檢測到的酒精濃度轉化為電信號，然後將電信號傳送給模數轉換器，經過模數轉換器轉換後，把轉換後得到的數字信號傳給單片機，單片機對所輸入的數字信號進行分析處理，最後將分析處理的結果通過顯示器顯示出來。由於不同的環境對酒精濃度的要求也不一樣，所以，可以通過鍵盤來設定不同環境中酒精濃度的不同閥值。如果所檢測到的空氣中的酒精濃度超過了所設定的閥值，那麼單片機將會控制蜂鳴器發出聲音報警，用來提示危害。
3、線路圖
依據硬體系統功能框圖設計出系統硬體的整體電路圖如圖二和圖三所示。其中圖二是單片機與LCD、鍵盤以及聲音報警電路的電路連接圖。