酒精含量檢測儀(無線酒精濃度檢測儀的研制)

在食品工業、釀酒工業、石油化工和工礦企業、環境檢測、公安交通管理、公共事業等國民經濟生產和人民工作生活的領域和場合，經常需要檢測特定環境中酒精氣體的濃度，以保證工廠企業的環境安全和人民生命財產安全[1-4]。比如監測酒精生產車間和石油化工廠的酒精濃度，可以避免工廠火災爆炸事故的發生；監測工礦企業場所的酒精濃度，可以避免工人酒精中毒等惡性事故；檢測駕駛員體內的酒精含量，可以防止駕駛員酒後駕駛，減少惡性交通事故的發生。因此，研制酒精氣體濃度檢測儀具有非常廣闊的現實和潛在的市場需求，意義重大。由於傳感器性能、電路設計、數據處理算法等原因，傳統酒精氣體檢測儀存在氣體選擇性低、抗幹擾性能差、智能化程度低、儀器操作復雜、無法實時保存和調整數據等突出問題[3-4]。鑒於此，作者設計開發了無線智能酒精濃度檢測儀，彌補了傳統酒精檢測儀器的缺點和不足。

1系統總體方案

酒精濃度檢測儀由發射器和接收器組成，其原理框圖分別如圖1和圖2所示。該變送器主要包括酒精濃度傳感器及A/D轉換電路、STC90C52RC單片機、濃度閾值設定及聲音報警電路、語音播報電路、液晶顯示電路和無線收發電路六個部分。接收器由無線收發電路、STC90C52RC單片機、數據接口通信電路和上位機組成。

2系統硬件電路設計

2.1傳感器電路和A/D轉換電路

TGS2620是日本FIGARO公司生產的半導體氣體傳感器，可以檢測氣體中的酒精濃度。具有靈敏度高、功耗低、壽命長、成本低的特點[5-6]。電路連接如圖3所示，其中RH為加熱器電阻，室溫下為83±8ω；RS是傳感器電阻，其電阻和還原氣體濃度之間的數學關系如下:

通過檢測VRL，可以確定氣體濃度C。

電路中運算放大器OP07以電壓跟隨器的形式連接，將傳感器與後級電路隔離，減少電源波動和外界因素對采樣數據的影響。ICL7660是MAXIM公司生產的壹款小功率極性反轉電源轉換器，用於將+5 V電源轉換為-5 V電源，供OP07使用。其中，CC2采用10 μF鉭電容，泄漏小，介質損耗低，提高功率轉換效率。TLC1549是TI公司生產的10位分辨率逐次逼近型ADC芯片。具有自動采樣保持、按比例量程校準轉換量程、抗噪聲幹擾等功能，滿量程最大總誤差僅為1 LSB。

2.2液晶顯示、閾值設定和聲音報警電路

16×2字符液晶模塊DM-162顯示報警閾值和酒精濃度值。為了減少I/O口數量，簡化電路結構，采用間接控制(4位數據總線)，接口電路如圖4上半部分所示。初始化期間，需要寫入壹個28H指令代碼，將8位總線轉換為4位數據接口模式。引腳BLA、BLK和VL分別是液晶背光的正極、負極和顯示對比度調節端，RS和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下部所示。當按下設置鍵S1時，進入閾值設置界面(初始閾值為500 ppm)，然後按下S2或S3鍵增加或減少閾值，步長為20 ppm。閾值設置後，寫入STC90C52RC單片機上5 KB EEPROM的第壹個扇區2000H和2001H的地址，這樣系統就不需要復位了。如果酒精濃度值大於閾值，將P0.7口線設置為低電平，三極管8550驅動蜂鳴器報警。

2.3語音廣播電路

使用華邦公司的ISD2560語音錄放集成芯片播放酒精濃度值，電路如圖5所示。麥克風以差分方式連接到片內前置放大器的MIC端和MIC REF端，以消除噪聲並提高輸入* * *模式抑制比。揚聲器采用雙端輸出的形式連接，輸出功率是單端使用的4倍。單片機的P2口、P3.0口和P3.1口線分別與地址線A0~A9相連，用於設置ISD2560芯片的480 KB EEPROM中存儲的語音段的起始地址(地址為0H~257H)。記錄和回放功能都從這個起始地址開始，並且在記錄過程中信息段的地址自動增加。本系統需要在ISD2560中輸入的語音信息包括:當前酒精濃度值為“零”、“壹”、“二”、“三”、“四”、“五”、“六”、“七”、“八”、“九”、“十”、“百”。由於ISD2560的語音錄放時間為60 s，按每秒3個漢字計算，可錄放180個漢字，滿足廣播要求。另外，ISD2560的工作模式[7-8](地址:300H~3FFH)可以通過P3.0、P3.1、P2.0~P2.6端口進行配置。P3.4~P3.6端口分別用於控制芯片選擇、芯片切換和錄音/放音模式選擇。P3.2端口用於判斷芯片的存儲空間是否已滿或信息存儲是否溢出。因為在記錄期間標記被自動插入到每個信息段的末尾，所以當回放遇到標記時，產生寬度約為12.5 ms的負脈沖。在播放另壹段錄音之前，使用P3.3端口檢測此脈沖的上升沿，以避免不連續的語音播放。

2.4無線收發器電路

系統采用NORDIC公司生產的工作在2.4 ~ 2.483 5 GHz ISM頻段的單片無線收發芯片nRF24L01，完成無線數據的發送和接收。nRF24L01的最高傳輸速率為2 Mb/s，電路如圖6所示。穩壓芯片LM1117-3.3 V將5 V輸入電壓轉換成3.3 V給nRF24L01供電。nRF24L01與MCU的接口為四線SPI，管腳CSN、SCK、MOSI和MISO分別為SPI的片選使能線、時鐘線、數據輸入線和數據輸出線。IRQ是壹條中斷信號線(低電平有效)，連接到單片機的外部中斷引腳。單片機主要通過這條接口線與nRF24L01進行通信，判斷數據接收和數據發送是否完成。CE是芯片的RX/TX模式選擇線。IREF是基準電流輸入端，通過壹個22kω電阻接地。引腳ANT1和ANT2為天線提供平衡的RF輸出，通過簡單的RF網絡匹配電路獲得50ω的單端阻抗輸出。網絡匹配電路防止發射模式中的諧波，並抑制接收模式中的本地振蕩泄漏。VDD_PA引腳輸出1.8 V的電壓，為片內功率放大器供電。

2.5數據接口通信電路

接收端計算機與單片機的通信由串行USB接口集成電路CH340T完成，如圖7所示。CH340T支持USB1.1或USB2.0/USB3.0通信，帶仿真接口，可升級外設串口設備，支持常用MODEM接觸信號，支持IRDA標準SIR紅外通信，提供RS23RS48RS422接口等功能。CH340T內置獨立的收發緩沖區，支持單工、半雙工、全雙工異步串行通信，通信波特率為50 b/s ~ 2 MB/s，在圖7中，CH340T芯片的發送管腳TXD反接了壹個二極管1N4001，防止該管腳向單片機回註入電流；在接收引腳RXD上加壹個300ω的限流電阻，防止單片機向CH340T回註電流；從而防止另壹個不需要供電的芯片因電流回流而繼續工作。

3系統軟件設計

3.1下位機的軟件設計

下位機的程序開發和調試在Keil μVision4的集成開發環境下進行，包括發射機和接收機的軟件設計。

3.1.1發射機的軟件設計

發送器的軟件流程如圖8所示。單片機上電後，系統初始化，完成單片機內部系統變量和TLC154DM-16ISD2560、nRF24L01等外部設備的初始設置。然後延時5分鐘左右預熱傳感器TGS2620，保證傳感器正常工作；程序初始化後，系統進入監控狀態。如果按下報警閾值設置鍵，則進入報警限值設置模式；如果按下錄制鍵，則進入錄制模式；然後啟動A/D轉換獲取采樣數據，經過濾波、標度轉換、系統誤差修正後得到測量的酒精濃度值。將該值與報警閾值進行比較，如果結果為“大於”或“等於”，則啟動蜂鳴器發聲程序發出聲音報警，提示酒精濃度超標；然後數值實時顯示在DM-162液晶模塊上；最後，判斷回放鍵是否被按下。如果按下，則根據酒精濃度值在ISD2560中搜索相應語音信息的存儲地址並開始播放；回放後，該值由nRF24L01發送方發送給接收方。發送後，收集、顯示並發送新壹輪酒精濃度數據。

變送器軟件采用抗脈沖幹擾平均濾波法[9]對A/D采樣數據進行預處理。其原理是:連續采樣K次，然後將這K個采樣數據進行比較，去掉最大值和最小值，計算剩余K-2個數據的算術平均值作為有效采樣值。該方法結合了中值濾波法和算術平均濾波法的優點，既能消除脈動性的幹擾，又能消除偶發性脈沖幹擾引起的采樣值偏差。為了加快計算速度，設計數字濾波器時K=10。

為了提高系統的實時性，軟件采用分段線性插值法[10-11]進行尺度變換。過程如下:(1)根據傳感器TGS2620的標定曲線，將曲線分成非等距段(當曲率變化較大時(輕微)，采樣點間距較小時(較大))，選取各段的坐標(VRLi，Ci)(I = 0，1，...，m)，其中:(2)計算相鄰采樣點間擬合直線的斜率Ki =(ci+1-ci)/(vrli+1-vrli)(I = 0，1，…，m-1)；(3)在片上EEPROM的第二扇區(地址:2200H~23FFH)存儲M組坐標數據(VRLi，Ci)和對應的斜率ki；(4)每采集壹個電壓值VRL，查詢EEPROM表，找出VRL所在的區間(VRLi，Ci)~(VRLi+1，Ci+1)，取出區間(VRLi，Ci)和ki數據，用線性插值公式C=Ci+ki(VRL-VRLi)計算。

將采集到的n個采樣數據(xi，易)代入式(5)得到系數A和B的值，並存儲在單片機的存儲單元中。在系統測量中，將換算後的酒精濃度測量值X代入誤差修正方程y=ax+b，即可得到修正後的酒精濃度值Y，從而消除系統誤差。

3.1.2接收機軟件設計

接收器MCU的軟件流程如圖9所示。接收器上電後，程序初始化nRF24L01和串口，然後進入監控場景。當nRF24L01接收到壹幀完整的酒精濃度數據後，立即通過串口發送給上位機。接收端單片機與PC機的數據交互采用異步通信方式。獨立波特率，串口協議設置為:波特率9 600 b/s，8位數據位，1位停止位，無校驗位。

3.2上位機軟件設計

上位機用戶界面采用通用的基於對象的編程語言Microsoft Visual Basic 6.0開發，實現了酒精濃度數據的接收、顯示和存儲。軟件使用了串行通信控件MSComm。MSComm控件是微軟公司提供的用於Windows下串行通信編程的ActiveX控件。通過對該控件的屬性和事件進行編程，可以很容易地實現串行通信。串行通信協議與接收端完全相同。上位機軟件的程序流程如圖10所示。

4系統測試

為了測試本系統的測量性能，用無水酒精和純凈水按壹定的體積比配制標準酒精溶液，測試結果見表1。式中:單位ppm=μg/mL代表1 mL酒精溶液中的酒精含量。從測量結果可以看出，測試數據覆蓋了傳感器的量程，測試的最大相對誤差小於2%，優於同類設計產品[3-5]。

為了獲得該儀器發射機與接收機之間的最大無錯通信距離，在室外進行了nRF24L01的誤碼率(臨界區間)隨距離變化的測試實驗，結果見表2。其中，每米錯誤率為10次測試後計算的平均值。可以看出nRF24L01的傳輸距離可以達到100 m，略高於RFID、ZIGBEE、藍牙無線通信技術[12]。

5主要技術指標

該儀器的主要技術指標如下:(1)測量範圍:50 ~ 5000 ppm；；(2)靈敏度(傳感器電阻變化率):0.3 ~ 0.5；(3)測量精度:≤2%；(4)傳輸距離:≤100m；(5)工作電源:DC+5v；；(6)工作環境溫度:-40℃~+70℃；(7)工作環境的相對濕度:0 ~ 85% RH。

6結束語

本文設計開發了壹種基於STC90C52RC微控制器、TGS2620酒精傳感器和nRF24L01無線通信芯片的酒精濃度檢測儀。該儀器已投入成都某小型啤酒廠的實際生產中。現場工作表明，該系統運行正常，工作可靠。該系統具有氣體選擇性高、靈敏度高、穩定性好、智能化高、通信距離遠、功耗低、抗工業幹擾能力強、性價比高等優點。該儀器可用於食品加工業、工礦企業、石油化工、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(如酒駕、交警執法)等需要現場檢測或無線遙測酒精氣體濃度的場合，具有廣闊的市場應用前景和較高的推廣價值。

參考

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胡世兵、陳

(成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225)

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