【正文】 1 緒論 交通事故已成為對(duì)人類生命安全威協(xié)最大的“第一公害”。引起交通事故的基本因素有人、車、路、環(huán)境與管理等 ,其中駕駛員本身因素占 70%。世界各國(guó)統(tǒng)計(jì) ,30%～ 50%的交通事故由飲酒后駕車所至。在 1989～ 1990 年中 ,因酒后駕車引起的交通事故平均每年高達(dá) 3萬(wàn)余起。在我們的調(diào)查中 ,駕駛員承認(rèn)有酒后駕車者達(dá) %,且有 %的駕 駛員經(jīng)常酒后駕車。美國(guó)近 46%的交通事故與酒精有關(guān) ,且酒后駕車是美國(guó)車禍的三種主要危險(xiǎn)因之一。美、日等國(guó)的研究表明，血液中酒精濃度為 %、 %、 %時(shí) ,駕駛能力分別可下 10%、 25%、 30%。目前，我國(guó)對(duì)于酒后駕車行為的監(jiān)控主要采取出動(dòng)警力，不定期抽查的方式。由于酒后 駕車的危害，交管部門(mén) 加大處罰力度。屬于飲酒駕車，車輛駕駛?cè)藛T血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100mL 的駕駛行為屬于醉酒駕車?，F(xiàn)行道路交通安全法還規(guī)定，一年內(nèi)醉駕被處罰兩次以上的，吊銷機(jī)動(dòng)車駕駛證， 5年內(nèi)不得駕駛營(yíng)運(yùn)機(jī)動(dòng)車。 酒后駕車造成的交通事故對(duì)國(guó)家 、他人、自己產(chǎn)生了難以估計(jì)的后果。 目前全世界幾乎所有國(guó)家都采用呼氣酒精測(cè)試儀對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，以確定被測(cè)量者是否是酒后駕駛?？梢詫?duì)氣體中酒精含量進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備有五種基本類型，即：燃料電池型（電化學(xué)）、半導(dǎo)體型、紅外線型、氣體色譜分析型、比色型。這兩種能夠制造成便攜型呼氣酒精測(cè)試器，適合于現(xiàn) 場(chǎng)使用半導(dǎo)體型采用氧化錫半導(dǎo)體作為傳感器，這類半導(dǎo)體器件具有氣敏特性，當(dāng)接觸的氣體中其敏感的氣體濃度增加，對(duì)外呈現(xiàn)的電阻值就降低。燃料電池型呼氣酒精測(cè)試儀采用燃料電池酒精傳感器作為氣敏元件，它屬于電化學(xué)類型，因此又稱為電化學(xué)型。燃料電池酒精傳感器采用貴金屬白金作為電極，在燃燒室內(nèi)充滿特種催化劑，使進(jìn)入燃燒室內(nèi)的酒精充分燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽簿褪窃趦蓚€(gè)電極上產(chǎn)生電壓，電能消耗在外接負(fù)載上，此電壓與進(jìn)入燃燒室內(nèi)氣體的酒精濃度成正比。但是由于燃料電池酒精傳感器的結(jié)構(gòu)要求非常精密，制造難度相當(dāng)大，目前只有美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠生產(chǎn)，加上材料成本高，因此價(jià)格相當(dāng)昂貴，是半導(dǎo)體酒精傳感器的幾十倍。對(duì)于作為執(zhí)法或者處罰依據(jù)的人體酒精含量檢測(cè)，就應(yīng)該使用燃料電池型酒精測(cè)試儀。 設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)一電路，要求對(duì)駕車司機(jī)是否酒后駕車進(jìn)行測(cè)試，并用單片機(jī)計(jì)算并顯示。 2 方案設(shè)計(jì) 對(duì)酒后駕車控制，存在的可設(shè)計(jì)方案很多，并且能實(shí)現(xiàn)其他附加功能。 本研究設(shè)計(jì)的酒精濃度測(cè)試儀通過(guò) Q3 乙醇?xì)怏w傳感器輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理，輸出隨乙醇濃度變化的電壓 信號(hào)，該電壓信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，與設(shè)定的醉酒閾值進(jìn)行比較，并顯示或報(bào)警。 實(shí)現(xiàn)功能： 實(shí)時(shí)測(cè)量空氣中的乙醇?xì)怏w濃度，在液晶屏上顯示。 電路設(shè)計(jì)了兩個(gè)紅燈，另一個(gè)紅燈是傳感器直接輸出的模擬報(bào)警信號(hào)，其閾值通過(guò)調(diào)節(jié)傳感器模塊上的蘭色電位器改變，一般可以不用。系統(tǒng)掉電后醉酒閾值不失，可以保持 。 各部分介紹 傳感器部分 乙醇信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理電路： MQ3 乙醇?xì)怏w傳感器可以應(yīng)用用于機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T及其他嚴(yán)禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，也用于其他場(chǎng)所乙醇蒸汽的檢測(cè)。 雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出） TTL 輸出有效信號(hào)為低電平。 對(duì)乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性。 圖 2 MQ3乙醇?xì)怏w傳感器靈敏度曲線 MQ3 乙醇?xì)怏w傳感器及其調(diào)理電路原理如圖 4 所示。經(jīng)過(guò)調(diào)理，檢測(cè)信號(hào)由電阻值轉(zhuǎn)變成電壓值，便于后續(xù)電路進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換和處理。 將傳感器放在無(wú)被測(cè)氣體的地方，順時(shí)針調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié)到指示燈亮，然后逆時(shí)針轉(zhuǎn)半圈，調(diào)到指示燈不亮，然后接近被測(cè)氣體，指示燈亮，離開(kāi)被測(cè)氣體，指示燈熄滅，就證明傳感器是好的！ 單片機(jī)部分 STC12C5A16AD 芯片為 52 內(nèi)核 8 位單片機(jī)，內(nèi)部集成了 10位多路 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，適用于常用檢測(cè)電路。圖中 AOUT 為 MQ3傳感器模塊輸出的檢 測(cè)電壓信號(hào)，送入 ADC7 端口進(jìn)行處理， DOUT 為傳感器模塊輸出的數(shù)字電平信號(hào)，該信號(hào)可以根據(jù)乙醇?xì)怏w濃度直接輸出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警閾值通過(guò)模塊上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。 L2 和 L3 為報(bào)警指示燈，分別可以進(jìn)行酒后和醉酒兩級(jí)報(bào)警。其中 J2的 3腳為背光引腳， R9和 R10 電阻用于調(diào)節(jié)背光亮度。 其他部分： 閾值存儲(chǔ) ： 醉酒閾值存儲(chǔ)在 EEPROM 芯片 AT24C04 中，并可以通過(guò) “增加”、“減少”按鍵調(diào)節(jié)并保存。其電 路如圖 9所示。 SCL 和 SDA 為 AT24C04 和單片機(jī) IIC 通信的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。同時(shí)， USB 接口通過(guò)內(nèi)含 PL2303芯片的轉(zhuǎn)換電路對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序編寫(xiě)。 圖 10 供電及程序下載電路 3 Protel 硬件開(kāi)發(fā)軟件 Protel 是目前國(guó)內(nèi)最流行的通用 EDA 軟件，它是將電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB 板圖設(shè)計(jì)、電路仿真和 PLD 設(shè)計(jì)等多個(gè)實(shí)用工具軟件 組合后構(gòu)成的EDA 工作平臺(tái)，是第一個(gè)將 EDA 軟件設(shè)計(jì)成基于 Windows 的普及型產(chǎn)品。 Protel的功能十分強(qiáng)大，在電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域占有極其重要的地位。 Protel 軟件 簡(jiǎn)介 Protel 軟件主要由電路原理圖設(shè)計(jì)模塊、印制電路板設(shè)計(jì)模塊（ PCB 設(shè)計(jì)模塊）、電路信號(hào)仿真模 塊和 PLD 邏輯器件設(shè)計(jì)模塊等組成，各模塊具有強(qiáng)大的功能，可以很好的實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)與分析。 USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)安裝 打開(kāi) USB 驅(qū)動(dòng)文件夾下的安裝文件，按提示安裝 USB 轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)程序。 X 表示串口號(hào)，如果沒(méi)有說(shuō)明 USB 轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)沒(méi)有安裝，須重新安裝。 打開(kāi) STC 單片機(jī)下載軟件文件夾，點(diǎn)擊 程序 ， 正確選擇 MCU 類型， COM 口（與剛才安裝的 COM號(hào)一致）， 最高波特率和最低波特率都選 2400bps 或者 1200bps （下載線內(nèi) PL2303 芯片所限，沒(méi)辦法?。?，并打開(kāi)正確的 .hex 數(shù)據(jù)文件。 芯 片燒錄成功后，程序開(kāi)始運(yùn)行，酒精濃度測(cè)試儀正常工作。傳感器第一次上電預(yù)熱時(shí)間比較長(zhǎng)，需等待預(yù)熱完成。 然后做未飲酒人的測(cè)試。吹氣完畢后顯示值緩慢回落。 飲酒者 (或用酒精棉球代替 )對(duì)酒精濃度測(cè)試儀傳感器探頭吹氣，液晶屏顯示的乙醇?xì)怏w濃度值快速上升，很快超過(guò)報(bào)警閾值，報(bào)警燈亮。 可以通過(guò)按鍵調(diào)整報(bào)警閾值。 調(diào)試說(shuō)明 套件焊好后，不要急于上電，首先用萬(wàn)用表電阻檔量一下電路板的 GND和 5V電源之間是否短路。 如果不短路，再接上 USB 電源，用萬(wàn)用表電壓檔測(cè)量 5V和 GND 之間的電壓是否正常，如果電壓不正常，速斷電檢查。打開(kāi) STC 下載軟件，選擇芯片型號(hào)，導(dǎo)入hex 文件，設(shè)置波特率（兩項(xiàng)都低于 4800bps），下載程序，調(diào)試運(yùn)行。 警察測(cè)量醉駕都要對(duì)測(cè)量?jī)x器管吹氣，本套件沒(méi)有吹氣管，對(duì)著傳感器探頭吹氣即可，距離不可過(guò)遠(yuǎn)，否則氣體濃度顯著下降。 致 謝 在朱俊杰老師悉 心指導(dǎo)和幫助下，完成了酒精測(cè)試儀的設(shè)計(jì)和論文的撰寫(xiě)。 大學(xué)四年學(xué)習(xí)生涯即將告以段落，在此要感謝四年以來(lái)一直對(duì)教學(xué)和指導(dǎo)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，孜孜不倦的所有老師們，同時(shí)還要感謝跟我一同學(xué)習(xí)的同學(xué)，他們給了我?guī)椭?、支持和?dòng)力，讓我度過(guò)了一個(gè)美好的大學(xué)生活 。杭州：浙江大學(xué)出版社， 2021 [17] 趙異波，何湘寧，電力電子電路的數(shù)字化控制技術(shù) [J]，電源技術(shù)應(yīng)用， 2021,11(5) : 557 (6)～ 559 (8) [18] BartonJS Optical Fibre Sensor for Monitoring Acoustic Actuators,1992,31(3):110114 [19] C2H5OH Gas Chemical Systems Preliminary [20] MC78XX/LM78XX/MC78XXA 3Terminal 1A Positive Voltage [21] Carrara Giuseppse， Gardella Simone ,Marchesoni Mario A new Multilevel PWM Method :Theoretical analysis [J].IEEE Trans power [22] STRONG S J ． World overview of buildingintegrated photovoltaic[C]． Conference Record of the Twenty Fifth IEEE． Washington， DC：IEEE， 1996： 11971202． 附錄： 電氣原理圖 PCB電路圖 程序清單 (1) 頭文件和一些宏定義 include include include define uchar unsigned char define uint unsigned int (2) 常量、變量定義和函數(shù)聲明 //聲明常量 define ALCH 80 //醉駕標(biāo)準(zhǔn) 80mg/L //K_MG_MV和 K_ZERO 為傳感器校準(zhǔn)系數(shù)，要根據(jù)每個(gè) MQ3 模塊校準(zhǔn) define K_MG_MV 160/60 //傳感器靈敏度系數(shù)，可以 自行校準(zhǔn) define K_ZERO 0 //傳感器零點(diǎn)漂移 //定義按鍵 sbit Key_Up = P3^6。 //定義 LED 報(bào)警燈 sbit Led_Warn1 = P3^4。 //定義乙醇傳感器 TTL 電平輸出引腳 sbit DOUT = P1^4。 //開(kāi)始轉(zhuǎn)換標(biāo)志 volatile bit FlagKeyPress = 0。 //酒精濃度上限報(bào)警值 uint ALCounter。 //酒精測(cè)量值 float ALtemp。 //鍵值 char * pSave。 void Timer0_Init()。 void ADC_Init()。 void KeyProcess(uint )。 ALValue = 0。 Led_Warn2 = 2。 keyUp = 1。 } //定時(shí)器 0 初始化，中斷時(shí)間約 2 毫秒 //計(jì)算：晶振 ，定時(shí)器時(shí)鐘 11059200/12=921600，每毫秒 922 個(gè)脈沖 // 16 位定時(shí)器初值 655361844=63692=0xf8cc void Timer0_Init() { ET0 = 1。 //定時(shí)器工作方式選擇 TL0 = 0xcc。 //定時(shí)器賦予初值，大約為 2 毫秒中斷 1 次 TR0 = 1。 TH0 = 0xf8。 if (ALCounter = 500) { FlagStartAL = 1。 } } //端口初始化 void Port_Init() { P1M0 = 0x80。 // } //ADC 初始化 void ADC_Init() { uint i。 //設(shè) 為 AD 輸入 ADC_RES = 0。 //POWER=1,打開(kāi) ADC 電源 for(i=5000。i) 。0xE0。0xf8|0x07。i0。 //延時(shí) } //進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，得到當(dāng)前酒精值 uchar GetADVal() { uint i。=0xf7。i0。 //待輸入電壓穩(wěn)定后開(kāi)始轉(zhuǎn)換 //ADC_RES = 0。 //ADC_Start=1, 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 while((ADC_CONTRamp。 //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 ADC_FLAG=1 ADC_CONTRamp。 //清 ADC_FLAG 和 ADC_START 位，停止 轉(zhuǎn)換 return ADC_RES。Threshold。 //存醉酒閾值低 8 位 DELAY(300)。 wrteeprom(1, *pSave)。 } //載入設(shè)定值