【正文】 的容易程度、環(huán)境保護(hù)上都優(yōu)于其它兩個方案，不失為最佳的選擇。 方案二有如下的特點(diǎn)： 1. 在完成所要求的任務(wù)的基礎(chǔ)之上還有著結(jié)構(gòu)簡單、明了的特點(diǎn)，很容易實(shí)現(xiàn)，而且在一定的程度上節(jié)約成本。 2. 采用了無污染能源，保護(hù)環(huán)境。同時也省去了為建造燃料供應(yīng)子系統(tǒng)的費(fèi)用，節(jié)約了成本。 3. MSP430 系列單片機(jī)具有低功耗、自帶 12 位 ADC 轉(zhuǎn)換器以及高抗干擾能力等特點(diǎn)，不僅節(jié)約成本，同時能起到很好的控制效果。 車載酒精探測控制儀的設(shè)計 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 整個系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，并對硬件每一個部分進(jìn)行了分析。硬件的每一個壞節(jié)都是深思熟慮而成，各自完成相應(yīng)的功能并組成一個統(tǒng)一的整體。 工作原理 本設(shè)計是車載酒精探測控制儀的設(shè)計，它是 一種超低功耗的酒精探測控制儀，該儀器安裝在汽車內(nèi)，當(dāng)駕駛?cè)藛T進(jìn)入駕駛室后，可以自動對酒精濃度進(jìn)行探測，以確保行車的安全。 車載酒精探測控制儀主要由主控電路、酒精檢測電 路、指示燈和液晶顯示電路、繼電器控制電路、復(fù)位監(jiān)控、接口電路以及聲光報警電路組成， 總系統(tǒng)框圖如 所示 。 圖 硬件系統(tǒng)框圖 在 車載酒精探測控制儀的 設(shè)計中主控電路采用高性能 MSP430 單片機(jī)系列中的MSP430F149， MSP430F149 單片機(jī)可判斷氣體中酒精的含量，控制整個控制儀的工作；酒精檢測電路由高精度酒精傳感器、信號調(diào)理放大電路、濾波電路和單片機(jī)內(nèi)置 12 位ADC 等組成，主要用于檢測酒精含量；指示燈電路由紅綠黃三個指示燈組成，液晶顯示電路用來顯示測定得到的酒精的濃度； 聲光報警 電路中由蜂鳴器做報警器， 當(dāng)酒精含量沒有超標(biāo)，汽車隨之啟動；反之，則進(jìn)行聲光報警，發(fā)出警報，同時控制繼電器切斷點(diǎn)火裝置電源，駕駛?cè)藛T無法啟動汽車， JTAG 接口電路用于調(diào)試程序，以及系統(tǒng)軟件 MSP430F149 點(diǎn)火控制設(shè)備 按鍵復(fù)位 LCD液晶顯示 聲光報警 單片機(jī)內(nèi)置 ADC 濾波電路 調(diào)理放大 超高精度 酒精傳感器 監(jiān)控復(fù)位 JTAG 接口 車載酒精探測控制儀的設(shè)計 10 的升級；當(dāng)一次測試完之后進(jìn)行手動復(fù)位以便下次測量。 車載酒精測試儀測試汽車內(nèi)的酒精濃度，駕駛員所允許的酒精濃度最大值為80mg/100ml，車載酒精測試儀用超精度酒精傳感器將酒精濃度轉(zhuǎn)化成電壓或電流信號，經(jīng)調(diào)理放大后傳給單片機(jī)內(nèi)置的 ADC，單片機(jī)判斷酒精濃度大于 80mg/100ml，汽車的點(diǎn)火裝置將被切斷，并進(jìn)行聲光報警；小 于 80mg/100ml，汽車可以正常啟動。單片機(jī)將測得的酒精濃度顯示在液晶顯示屏上。 酒精檢測電路 酒精檢測電路由高精度酒精傳感器、信號調(diào)理放大電路、濾波電路和單片機(jī)內(nèi)置 12位 ADC 等組成，如圖 所示。主要功能是檢測駕駛員呼出的酒精含量，將化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，并通過信號調(diào)理放大電路對模擬信號進(jìn)行放大處理以及通過濾波電路濾波，再將進(jìn)行處理后的信號送到 MSP430F149 單片機(jī)的內(nèi)置 12 位 ADC，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，從而使 MSP430F149 單片機(jī)判斷檢測到的酒精濃度是否超標(biāo)。 Ａ ＡＨ ＨＢ ＢU1M Q 323674158U2M A X 4 23823674158U3O P 07C5VR112 kR218 KR318 K5VR518 kR618 kC2 μ FC3 μ FR775 .6KR875 .6KR920 .2KC4 μ FC L KR 1 075 .6KR 1 120 .2KR 1 275 .6K+ 5 VAD5VC1 μ F 5V5V+ 5 V + 5 V 5VR410 k1M H zL P A1B P A2O P O U T A 3N / H P / A P A4O P I N A5I N A6S 1 A7S A / B8C L K O U T9V+10F511F412C L K A13C L K B14O P I N B15O P O U T B16F217F018V19G N D20O s c O U T21S 1 B22F323F124N / H P / A P B25B P B26L P B27I N B62U4M A X 2 66 圖 系統(tǒng)酒精檢測電路圖 MQ3 酒精傳感器感應(yīng)駕駛員呼出氣體中的酒精含量，并將酒精這一化學(xué)量轉(zhuǎn)化為車載酒精探測控制儀的設(shè)計 11 電信號，送給由 MAX4238 組成的放大調(diào)理電路，將模擬的電信號放大整形后輸送給濾波電路，使輸出的電壓趨于平滑，再將這一信號送至 MSP430F149 的 ACD12，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 呼氣酒精濃度與人體血液濃度關(guān)系 機(jī)動車駕駛?cè)藛T “酒后駕車 ”及 “醉酒駕車 ”極易發(fā)生道路交通事故，嚴(yán)重危害了道路交通安全和人民生命財產(chǎn)安全。人飲酒后，酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收，經(jīng)過血液循環(huán)，約有 90％的酒精通過肺部呼氣排出 ，因此測量呼氣中的酒精含量，就可判斷其醉酒程度 [3]。 從理論上說，要判斷是否是酒后駕駛，最準(zhǔn)確的方法應(yīng)該是檢查駕駛?cè)藛T血液中的酒精含量。血液中的酒精含量可以通過檢查血液、呼氣、唾液和小便得到。在違章處理或者公路交通例行檢查中，要在現(xiàn)場抽取血液往往是不現(xiàn)實(shí)的，而送到醫(yī)院再抽取血液則會因?yàn)槁飞匣ㄈサ臅r間使血液中的酒精濃度與在現(xiàn)場時有所不同。最簡單可行的方法是現(xiàn)場檢測駕駛?cè)藛T呼氣中的酒精含量。 在美國國家公路交通安全管理局與國家安全委員會聯(lián)合編制的名為 “SETRlNG LIMITS， SAVING LIVES”的宣傳冊中明確指出，呼氣酒精濃度測試是法律執(zhí)機(jī)構(gòu)采用的主要方法。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(in mg／ L)=BrAC(in mg／ L)x 2 200 上式中， BAC 是血液酒精濃度的英文縮寫，則是呼氣酒精濃度的縮寫，括號中的 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／升為單位的呼氣酒濃度乘上系數(shù) 2 200(由于各國的情況不 同，在美國此系數(shù)采用 2 000，而歐洲很多國家采用 2 100)?；诖?，目前全世界絕大多數(shù)國家都采用呼氣酒精測試儀對駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場檢測，以確定被測量者體內(nèi)酒精含量的多少。 為了規(guī)范警用呼氣酒精測試儀的性能， 2021 年我國公安部制定了國家公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) “呼出氣體酒精含量探測器 GA307—2021”。該標(biāo)準(zhǔn)中對呼氣酒精測試儀的各方面性能作了定量規(guī)定，其中一些重要性能如示值誤差、重復(fù)性、抗干擾能力、吹氣壓力和吹氣連續(xù)性監(jiān)視等指標(biāo)都直接影響檢測精度。該文就此略加分析如下：示值誤差和重復(fù)性是直接影響檢測精度的指標(biāo) ，其中示值誤差要求在整個工作范圍 (溫度從 0℃ 至 40℃ ，車載酒精探測控制儀的設(shè)計 12 相對濕度從 20％ RH90％ RH)都要滿足如下要求： 177。10％ (量程： 0． 400 mg／ L～ 1． 000 mg~39。L)177。0． 040 mg／ L(量程： 0． 200 mg／ L～ 0： 400mg／ L)177。0． 025 mg／ L(量程： 0． 200 mg／ L) ，重復(fù)性是反映儀器測量值穩(wěn)定性的指標(biāo)。 酒精傳感器 傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件 [4]。國際電工委員會 (IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為： “傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號 ”。按照 Gopel 等的說法是： “傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件 ”，而 “傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理 (模擬或數(shù)字 )能力的傳感器 ”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。 酒精傳感器屬于化學(xué)傳感器中氣體傳感器，酒精傳感器的種類有很多，如采用旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件 MQ 兩電極電化學(xué)式酒精氣體傳感器 ME3AC2H5OH、HS3C 型酒精傳感器、自加熱型半導(dǎo)體式酒精氣體 敏感元件 MQ213 等類型，每一種酒精傳感器都有其獨(dú)特的特點(diǎn)。在本設(shè)計中采用 旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件 MQ3，它對乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性，快速的響應(yīng)恢復(fù)，長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性，探測范圍為 10～ 1000ppm，尤其適用于酒后駕駛?cè)藛T的檢測。 旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件 MQ3 具有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。 MQ3 型氣敏傳感器由微型 Al2O3，陶瓷管和 SnO2 敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件 。傳感器的標(biāo)準(zhǔn)回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準(zhǔn)確反映傳感器表面電阻值的變化。傳感器的表面電阻 RS 的變化，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻 RL上的有效電壓信號 VRL輸出面獲得的。二者之間的關(guān)系表述為： RS／ RL=(VCVRL)／ VRL，其中 VC 為回路電壓為 10V。負(fù)載電阻 RL可調(diào)為 。加熱電壓 Uh 為 5V。上述這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為 05V。 MQ3型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形如圖 所示，標(biāo)準(zhǔn)回路如圖 所示，傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系圖如圖 所示 。為了使測量的精度達(dá)到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預(yù)熱 5 分鐘。 車載酒精探測控制儀的設(shè)計 13 圖 MQ3 型傳感器結(jié)構(gòu)和外形 圖 MQ3 型傳感器標(biāo)準(zhǔn)回路 圖 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系 調(diào)理放大、濾波以及 A/D 轉(zhuǎn)換電路 信號調(diào)理放大電路是將酒精傳感器傳來的模擬 信號進(jìn)行放大整形，便于轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信號調(diào)理放大電路的前級采用美信公司生產(chǎn)的高精密運(yùn)放 MAX4238 來實(shí)現(xiàn)，它具有 1pA 的偏置電流， 2μV的偏置電壓，超低溫漂，良好的性能。后級放大采用常用的OP07C 運(yùn)算放大來實(shí)現(xiàn)。 MAX4238 是低噪音、低漂移、超 高精度的放大器，提供接近零直流偏移和漂移調(diào)零技術(shù)。這種方法不斷的措施并彌補(bǔ)了輸入失調(diào)，消除漂移時間、溫度和 1 / f 噪聲的影響。其引腳分布為 1 腳為關(guān)斷輸入， 2 腳為反向輸入端（ IN）， 3 腳為正向輸入端（ IN+），4 腳為地（ GND）， 5 和 8 腳為沒有連接（ NC） ， 6 腳為輸出（ OUT）， 7 腳為正電源（ +Vcc）它 能在較低電壓下工作，工作電壓范圍為： ～ 。 OP07C 是一個低噪聲、低偏移的運(yùn)算放大器，它在工作時不需要外部元件偏移跳零阻值變化率 170 度 390 度 220 度 270 度 600 400 200 100 度 乙醇濃度 /10 負(fù)六次方 車載酒精探測控制儀的設(shè)計 14 和頻率補(bǔ)償。其中 OP07C運(yùn)算放大器的 2腳為反向輸入端（ IN）， 3腳為正向輸入端（ IN+），4 腳為負(fù)電源（－ Vcc）， 5 腳為沒有連接（ NC）， 6 腳為輸出（ OUT）， 7 腳為正電源（ +Vcc），器工作電壓范圍為： 177。3V～ 177。18V. 濾波電路則采用美信公司生產(chǎn)的開關(guān)電容型引腳可編程集成濾波器 MAX266 來實(shí)現(xiàn)，具有比普通 RC 濾波電 路更優(yōu)異的性能，且能很好的阻止其余頻帶內(nèi)的電信號。MAX266 是微型、低成本、低噪音變頻濾波 器 ，它是由兩個獨(dú)立的二階濾波器組成，通過不同的引腳輸出，可以構(gòu)成低通、高通、帶通、全通以及陷波濾波器。中心頻率和帶通頻率可以在 140KHz 的范圍內(nèi)通過輸入的時鐘信號和引腳 F0～ F5 調(diào)節(jié)，在不同的電路模式下，外圍電阻值確定濾波器的品質(zhì)因素 Q。其工作電壓范圍為 ～ ，是便攜式消費(fèi)設(shè)備的理想選擇。 A/D 轉(zhuǎn)換（ A/D 轉(zhuǎn)換器具體介紹見 MSP430F149 單片機(jī)內(nèi)部介紹）采用 MSP430F149自帶的 12 位、最大速 率為 200KSPS 的 ADC，它的電壓基準(zhǔn)可以選擇為內(nèi)部基準(zhǔn)或者外部基準(zhǔn)，節(jié)省了外部 ADC 芯片，大大簡化了硬件的設(shè)計，同時可以滿足精度的要求，因此非常適合于本系統(tǒng)的設(shè)計。 主控電路設(shè)計 主控電路組成及原理 在車載酒精控制探測儀的主控電路中采用了由美國德州儀器公司推出