摘 要

本文设计了一种基于ARM内核单片机的具有报警功能的呼气式酒精检测仪，该系统的硬件部分主要包括，主控芯片Stm32单片机，酒精传感器模块，AD转换电路，以及TFTLCD显示屏幕，通过软件设计对传感器把外界酒精浓度转换输出的模拟信号通过ADC进行采样，将转换后的数字量通过显示模块进行显示的一种酒精浓度检测仪，系统可以实现酒精检测功能，进而了解到驾驶者是否为酒后驾车，让驾驶者认识到安全驾驶的重要性，从而认识到酒后驾车的危害，这个在现代生活可以广泛使用，通过单片机设计酒精检测仪较传统机械检测仪具有更高的精度，测量精度可达到0.1mg/L，并且单片机扩展性强，并具有很大限度的可控性，所以所以基于单片机设计酒精浓度检测仪具有一定的研究价值。

关键词：单片机；Stm32；酒精传感器

Abstract

This paper designs an alarm-based alcohol detector with alarm function based on ARM core microcontroller. The hardware part of the system mainly includes main chip Stm32 single chip computer, alcohol sensor module, AD conversion circuit and TFTLCD display screen. An alcohol concentration detector is designed for sampling the analog signal output from the sensor to the outside world by the ADC and the converted digital quantity is displayed by the display module. The system can realize the alcohol detection function and understand whether the driver is Drunk driving, so that drivers recognize the importance of safe driving, so as to recognize the danger of drunk driving, this can be widely used in modern life, through the single-chip design of alcohol detector than the traditional mechanical detector with higher accuracy, Precision can reach 0.1mg / L, and single-chip expandability, and has a large degree of controllability, so based on single-chip design of alcohol concentration detector has a certain research value.

Key Words：microprocessor ；Stm32； Alcohol sensor

目录

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.3 课题研究路线 2

第2章 系统方案设计 3

2.1 单片机的选择 3

2.2 传感器的选择 3

2.3 显示模块的选择 4

2.4 本章小结 5

第3章 硬件电路部分 6

3.1 单片机部分 7

3.2 传感器部分 8

3.2.1传感器硬件电路部分 8

3.2.2传感器输出和酒精浓度的关系 9

3.2.3 对于传感器的标定 10

3.3显示电路部分 10

3.4 ADC模拟-数字量转换模块 11

3.5 本章小结 12

第4章 软件设计部分 13

4.1功能设计 13

4.2 TFTLCD模块 14

4.3 ADC软件设计 19

4.4 本章小结 21

第5章 系统的调试 22

5.1 单片机的调试 22

5.2 传感器的调试 22

5.3 TFTLCD屏幕的调试 22

5.4 整体系统的调试 23

5.5 系统实物演示 23

5.6 本章小结 26

第6章 标定与误差分析 27

6.1 系统的标定 27

6.2 误差分析 28

6.3 本章小结 28

第7章 总结 29

參考文献 30

致 谢 42

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

近几年来，我国经济发展可谓是日新月异，人们的生活多姿多彩，飞速发展的经济也给我们的精神生活带来了很多乐趣，例如每逢节假日便会有很多聚会应酬，但是很多人在聚会应酬的同时也会避免不了饮酒，在聚会归去的路上如果饮酒驾车是非常危险的事情，饮酒过多会引起血液内酒精浓度过高，给饮酒者带来不适的反应，饮酒过多会麻痹神经，从而造成行动迟缓，心跳加速等不良反应，进而影响驾驶者对于交通状况的判断力，这种状态对于驾车是非常不利并且非常危险的。酒驾行为引起交通事故，受害者不仅仅是交通要道上的司机和行人，以及公共、私人建筑设施，同时也包括驾驶者本身，酒驾不仅仅带来的是表面意义上的经济损失，同时也有生命、健康、家庭等潜在意义上的无价的损失。酒驾行为不利于和谐社会的建设，更是违法行为，2016年对于酒驾和醉驾更加是颁布了新交规，采取了更加严厉的处罚措施，由此可见，酒驾行为具有非常大的危害。因此为了端正酒驾的风气，需要设计酒精检测仪来监督酒驾行为，将酒驾行为制止在产生危险之前。

1.2 国内外的研究现状

采用手指按压的传感技术，驾驶者的手指按压汽车内的按压监测装置，此装置内嵌有酒精检测仪，通过对按压产生的生物电信号检测酒精浓度，以确保驾驶者是清醒的，可以对机动车进行驾驶，德国的一家公司在次基础上研发了锁动装置，通过高精度，且更加昂贵的燃料电池传感器检测驾驶者的身体内的酒精浓度，判断驾驶者当前的生理状态能否驾驶机车，如果超过了规定的检测限度，便会将汽车的发动机闭锁，禁止驾驶者驾驶机动车^[1]。在此后SABB公司在此基础上又对检测装置进行了改进，将检测装置内嵌在机动车的钥匙孔位置，如果驾驶者呼气中的酒精浓度超过了检测标准，便会关闭钥匙孔，不让驾驶者启动机动车^[2]。在此后，随着非接触探测技术的逐渐成熟，以及电子装置检测热度的逐渐攀升，国外的公司将许多非接触探测器（传感器）放置在车内各个关键位置，如方向盘，仪表盘，车门，安全带，汽车驾驶档位等关键位置，通过人体学构造，分别对汗液，以及唾液，还有呼出气体等外界分泌物的探测器，全方位测量驾驶者的身体状态^[3]。丰田公司开发的预防酒驾装置在此基础上又做了改进，通过在方向盘、档位等驾驶过程中驾驶者必须接触的关键位置布置脉搏传感器，实时采集驾驶者的脉搏，并通过视频采集驾驶者的面部，通过更高级的算法分析驾驶者的驾驶。其周围布置的体液传感器也同时检测驾驶者的身体状况。

我国在车载酒精检测方面在近几年来也加大了对国外检测技术追赶的步伐，近几年来投入了大量的研究，我国的研究机构也申请了对这种车载酒精检测环境研究的专利，在短时间内即将具有新的突破，近几年对新兴的光纤传感技术进行了研究，通过激光对于酒精气体的光吸收波峰不同，从而绘制波谱图，进而进行分析，然后经过一系列的数学算法进行计算，得到酒精浓度。^[4]这种技术已经逐渐趋于完成，目前仅在投入适用阶段，由于我国对此类检测技术并未发布相关的标准和规定，其合理性尚未得到认可，且我国居民群体对于高新技术的接受度不高，此类技术尚未正式得到推广，不过相信在不久的将来，我国将会正式启用此类高新技术。目前我国主要采取的车载酒检方式是在车内环境安装内嵌酒精探测针的酒精锁装置来完成车载环境内的酒精检测，以此种方法预防酒驾事故，我国的主要城市，北上广深等都已经在公交车内设置了酒精锁。

而考虑到检测的普及性和成本，目前世界上绝大多数国家依旧都采用呼气式酒精检测仪，交警执法时通过现场检测，直接将酒驾者绳之以法，维护驾驶者以及社会的安全，所以这个测试仪还是具有不可替代的作用的，它存在的意义还是非常大的，有了这个检测仪，不仅可以方便交警查酒驾，还可以让交警对驾驶者存在着一定的警示性，从而减少交通事故。而通过可进行高位运算的单片机的基础上制作酒精检测仪，检测结果还是非常精准的。并且通过采用一些低功耗的单片机作为主控芯片，可以降低能耗，省时省力，同时也节约了成本以及资源。

1.3 课题研究路线

本课题，主要研究以Stm32作为主控芯片对于外部数据的处理和应用，单片机在我们日常生活中已经发展趋于完善，应用领域十分宽广，从智能检测方面已经超越传统技术，并且应用表现十分良好，并且考虑到功耗以及成本的原因，单片机检测应用的优势已经十分明显^[5]。本文主要研究一种以Stm32单片机为基础，对于气体中的酒精浓度进行检测的智能仪器。通过传感器采集呼出气体，并输出信号进入信号调理电路进行采集和转换，最终输出通过TFTLCD屏幕显示气体中的酒精浓度，从而完成便携式酒精检测仪器的设计。

第2章 系统方案设计

2.1 单片机的选择

对于单片机的选择，在此提出两个方案：

方案（1）：采用传统的51单片机，51单片机成本低廉，且产品成熟，虽然片上资源较少，但是51系列的52单片机可以增加外部扩展，处理速度较其他单片机慢，功耗较高，可以通过外部电路扩展实现课题所需功能。

方案（2）：采用ARM架构的Stm32单片机，Stm32是属于ARM架构有意法半导体生产的C内核的32位单片机，其片上资源较为丰富，并且其型号较多，根据设计需要可以选择更适应的型号，如内存，ADC位数，片上资源，以及GPIO数量等^[6]，最重要的是Stm32具有超低的功耗，其一系列的省电工作模式更能体现低碳生活的意义。

综上所述，上述两款单片机虽然都适合本课题，但是考虑到精度以及功耗的问题，Stm32较传统51单片机更具有优势，且C内核单片机处理速度更快，效率更高更加可以体现检测仪器的快速和灵敏的特点。

2.2 传感器的选择

由于本课题所需要实现的是酒精浓度检测，并且考虑到成本原因，对于常用的酒精传感器在此提出2个方案：

方案（1）：燃料电池型酒精传感器，这种传感器采用金属铂（Pt）作为电极，在燃烧槽添加某种催化剂，让燃烧槽内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比^[7]。

方案（2）：半导体型气敏传感器，MQ系列的气敏传感器中，其中MQ-3型传感器为酒精传感器，其中采用对于酒精敏感的电导材料作为敏感元件，与定值电阻和一个电压或者电流计制成，如图2.1所示。敏感元件通过酒精的浓度增加而进行变阻，从而影响定值电阻上面的分压，进而通过电压值的变化反映酒精气体的浓度。

图2.1半导体酒精传感器电路模型

综上所述，虽然燃料电池型酒精传感器测量的精度较高，稳定性好，但是用于便携式酒精检测仪会造成使用不便，而且其测量方法是燃烧酒精，会有一定的能耗，并且铂电极价格昂贵，并且MQ系列的半导体传感器也已经足够满足测量的精度要求，而且功耗较小，可以保证效率的同时也保证资源的利用，所以在此选择半导体型传感器。

2.3 显示模块的选择

对于酒精浓度数据的显示，在此有两个方案：

方案一：采用Labview显示，通过读出单片机采样的数据，将采样的数据发送到串口然后通过Labview的上位通信读取串口缓冲区的数据并通过虚拟仪表的方式显示，完成虚拟仪器显示数据。

方案二：采用TFTLCD显示屏幕显示，TFTLCD相对于传统LCD1602、LCD12864D等液晶屏幕功能更为强大一些，TFTLCD是真彩色显示屏幕，可以通过不同颜色的字体显示数据，甚至可以显示图片，对于本课题的对于报警数据的显示。

在此对于两种方案，本体课题选择的是方案二，采用TFTLCD屏幕显示，因为采用Labview显示虽然可以完成虚拟仪器显示，但是需要上位机进行通讯，即使再增加上位机进行通讯，也需要NI提供的Labview开发环境，徒增软件成本，并且对于酒精检测，实际意义并不大。而选用TFTLCD屏幕显示，可以显示彩色数据，对于超标的数据采用红色字体进行提醒，达到警示效果。同时相对于传统单片机系统的报警方式----蜂鸣器报警而言，更加是节约了能耗，体现了现代仪器的低功耗的特点。

2.4 本章小结

本章主要介绍了本次课题各个设计部分拟采用的多种方案，对这些方案进行论述，比较各方案之间的差异、优劣来完成对方案的选择，对此，最后的选择结果是采用处理速度更快，功耗更低，片上可用资源更多的Stm32单片机来作为本次课题的主控芯片，对于传感器部分，选用了安全性更高，能耗更低的MQ-3酒精传感器模块来进行对酒精浓度进行测量，然后通过传感器输出的模拟电压值经过ADC进行模拟-数字转换来输出数字量，最终通过TFTLCD屏幕对酒精浓度进行显示。方案的选择主要是考虑成本，处理速度，资源利用率，以及功耗等问题来进行决定的。

第3章 硬件电路部分

总体设计方案流程图3. 1所示，由MQ-3酒精气体传感器负责采集数据，采集的信号通过调理电路处理后，再输入给单片机，单片机内嵌的A/D转换模块对其进行转换，转换后变成数字信号，然后单片机再对数字信号进行分析处理转换成酒精浓度值，再通过显示屏将浓度值显示出来。同时将酒精浓度值对于超的数据进行显示报警。系统的硬件实物图如图3.2所示，硬件电路图见附录。

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