摘 要:本文介绍一种酒精浓度检测仪的设计方案,以MSP430F149 和燃料电池酒精传感器为核心, 着重对其硬件电路进行了详尽说明,给出了软件总体流程图。该设计方案的主要特点是省电、抗干扰能力强,体积小,操作灵活方便,可用于交通安全检测、酒厂和食品工厂发酵监控等场所。

　　1 引言

　　近年来, 随着交通事业的发展, 人民生活的提高,私家车的占有率直线上升,各式各样的的汽车已经成为人们的代步工具。与此同时,酒后驾车的司机越来越多,造成不少意外伤亡。根据交通部门不完全统计,每年因酒后驾车造成的人身伤亡事故数已万计,由此也造成了巨大的经济损失。为了方便快捷地判定交通事故的性质和原因,是否为酒后驾车造成的事故,应检测肇事者呼出气体的酒精浓度。为此,针对目前状况,本文设计了以性能优越的低功耗单片机 MSP430F149和专用燃料电池酒精传感器为核心的酒精浓度检测仪。该仪器经过整机软、硬件的精心设计,具有体积小、使用方便、灵敏度高,抗干扰强,准确性高等特点。而且可以用在需要控制人体酒精饮用以确保安全的任何场合中。

　　2 系统的原理与结构

　　人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有 90% 的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。大量的统计研究结果表明,如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上, 这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系:BAC(mg/L)=BrAC(mg/L)*2200, BAC(blood alco-hol concentration)为血液酒精浓度,BrAC(breath al-cohol concentration)为呼气酒精浓度,二者具有固定的比例关系。mg/L 是物理单位,为毫克每升。该检测仪正是在这个关系上进行了数值理论计算。

　　本文研究的是一种以单片机MSP430 和燃料电池酒精传感器为主,由数据采集放大、电源管理、实时时钟、打印、人机交互(包括液晶显示、按键及声光报警)等模块组成。结构框图见图 1。

     　该仪器监测空气酒精浓度时,由于燃料电池酒精传感器转换率受温度影响,为了使测量的精度达到最高,误差最小,需要在 2V 电压下预热 10s。,当燃料电池酒精传感器感应到酒精蒸汽时就输出微小的电压信号(mV级),然后通过精密仪表放大器INA126 进行放大后被单片机 MSP430 内部集成中的 12 位 A/D 转换器采样,采样后的数字信号经单片机处理比较,找出稳定后的浓度值,该值存储到数据存储器后, 送数据输出口由 MG-1223 液晶显示器显示。并且该浓度值与用户预先设定的阀值(根据不同的环境设定不同的阀值)进行比较,判断是否需要报警,如若超出阀值进行声光报警。在液晶显示屏上显示出该值和检测的日历、时间,以及是否出超出阀值。显示的内容最终打印,由酒后驾车人员签字确认。在电源方面中,由于电路中传感器模块和控制器模块的供电电压不一致,市场上的高输出电压、高容量电池体积与设计要求相比又太大,因此,本文采用小体积的高容量电压的可充电 1.2V 镍氢电池作为系统的总供电电源,再用 DC-DC 升压器将电池电压升到各模块所需的供电电压,可以较好地降低了仪器的功耗。

3 检测仪的硬件设计

　　3.1 单片机的选择

　　MSP430 系列单片机是美国德州仪器(TI)公司推出的一款Flash型16 位RISC 指令集超低功耗的混合信号处理器。该单片机内部集成有8 通道、12 位精度、高速的A/D转换模块ADC12,其最大采样速率可以达到200ksps。片内还有2 个具有捕捉/ 比较寄存器的定时器和高达60KB的Flash、2KB 的数据RAM,这些都为多通道现场数据采集提供了坚实的硬件保障。完全以系统低功耗运行为核心,可在1.8~3.6V 低电压下工作,系统采用3.3 伏工作电源;具有高速和低速时钟;具有正常工作模式(AM)和4 种低功耗工作模式(LPM1,LPM2,LPM3,LPM4),AM 活动状态,其余为低功耗模式,其中 LPM4 数据保持模式仅耗电0.1 Μ,从低功耗模式到活动状态只需6 μs,单片机可以方便的在各种工作模式之间切换。MSP430的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。MSP430F149 为x1xx 系列中硬件集成度最高的产品,相对于其它的产品,它有了硬件乘法器、48 个I/O端口、更多的定时器(10 个)、更多的 USART 端口,为MSP430 系列中的首选产品[1]。鉴于MSP430F149 单片机具有以上优点,这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O 及存储器上花太多的精力,而可以方便的设计真正意义上的单片系统.降低系统功耗,简化电路。

　　3.2 信号采集

　　该仪器利用燃料电池作为酒精传感器,它利用化学反映,直接把进入其内部的可燃气体转变为电能输出,在其两个电极上产生电压输出。它采用的是贵金属白金作为电极,在燃料电池酒精传感器的燃烧室内充满着特种催化剂,这种催化剂仅能使进入燃烧室内的酒精气体充分燃烧产生电能输出,对其它非酒精气体产生不良反应,因而它们对输出没有任何影响。所以燃料电池酒精传感器输出电压的高低与吸入燃烧室内酒精气体的浓度成正比[2]。它测量精度高,可测范围广。由于它只对酒精气体反应,任何其它非酒精气体测量时给结果带来的干扰都很少。另外,由于它对酒精气体极为敏感,只要把它的环境温度控制在规定的范围内,即使是酒精浓度很低的气体也能在其两极产生微弱的电压输出。而且它是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置,其工作过程中不涉及燃烧,仅仅通过电化学反映生成水,因而不受卡诺循环控制,其能量转换效率明显提高而且排放量很少,有利于保护环境。

　　当燃料电池有微小的电压信号(mV 级)输出后需要放大到足够的幅度以满足 A/D 转换时输入电平的要求,本文采用的放大器为 IN126。它是美国 Burr - Brown公司近期推出的一种精密仪表放大器。通过二个运放的组合设计,使器件具有极低的静态电流和较宽的电源范围。经激光修正后的电路,具有很低的输入失调、输入漂移和极好的共模抑制比。其增益可通过一个外接电阻在 5～10000 范围内设置。该器件可广泛用于便携式仪表放大器、工业传感放大器电桥、热电阻和热电偶等、医用输入传感器信号放大器、多通道数据采集系统和干电池供电系统用放大器等领域。非常适合本次便携式检测仪器的需要。

　　酒精浓度的采集由片上 ADC12 模块完成,ADC12模块能实现12 位精度的模数转换。ADC12 选择内部 2.5V 参考电压,选择通道 Al 作为输入通道,输入信号到微处理器进行A/ D转换后的值与用户预先设定的报警值进行比较判断,从而控制声光报警电路的开闭。AD12提供单通道单次、序列通道单次、单通道多次、序列通道多次 4 种转换模式,由于该检测仪采用中断方式采集数据,所以选择单通道单次转换。

　　3.3 人机交互

　　MSP430F149 的 P1、P2 口除了支持输入、输出以外,还支持硬件中断。非常适合实现基于中断的键盘输入响应程序。该仪器采用了 12 个按键,分别为数字键0～9、小数点、设置键、确定键、打印键。设置为3 ×4 的行列式键盘。键盘程序采用行扫描法。即 P1.0～P1.2 接两根列线,列线定义为输出口,P1.2、P1.3 接两根行线,行线定义为输入口。基于对系统低功耗要求的考虑,键盘输入响应程序应设计为中断方式运行。中国地域广大,各不同地域和民族的饮酒习惯也不尽相同。因此可以按“设置键”来更改酒精浓度报警阀值。确认键有两个用途:一是更改阀值后按下,另一个是充当报警以后的复位,以便进行下一次的测量。

　　在设计中,笔者采用了信利(TRULY)公司的 MG-12232 液晶显示模块完成显示信息功能。MG-12232 模块供电电压的典型值为 3 V , 工作电流的典型值为 0 .3mA,很适合本系统 3V 电平的低功耗环境。其可显示范围为 122 × 32 点阵,即能实现所谓的“双排汉显”,分别显示检测的酒精浓度、检测的日历、检测判断结果。结合按键进行酒精浓度阀值的修改。

　　3.4 其它部分模块

　　MSP430 外接两个发光二极管 LED 和一个蜂鸣器,LED 分别是READY 和WARN, READY 亮表示系统准备好,可进行测量。WARN 亮表示乙醇含量超过规定值,蜂鸣器发出警报,此时再按“确认键”使 WARN 熄灭,以便进行下次测量。

　　报警电路分为蜂鸣器报警电路和二极管发光报警电路组成。当输人端 P2.0 为高电平时,有电流通过蜂鸣器,蜂鸣器发出声音报警,而当输人端为低电平时不报警。当输人端 P2.1 为高电平时二极管亮报警,反之输人端 P2.l 为低电平则不报警。

　　作为执法或违章处罚的依据,交通民警在对酒后驾驶者进行检测后,一般都要求能立即把检测结果以书面形式通知被测者,并让被测者当场签字认可。因此,用作现场执法或现场处罚的该酒精测试仪配备了现场打印设备。另外,电源模块采用两节高能镍氢可充电 AA型电池并联, 提供 1 . 2 V 电压, 再用 D C - D C 升压器MAX1676 得到 3.3 伏和 2 伏稳定的工作电压,分别为系统和传感器供电。MAX1676 具有一个可调节的限制电流。MAX1676 输入电压范围从 0.7V 至 5V,并且只需30uA 的静态电流,功耗小;另外还具有电池欠压检测能,可以实现对电池实时充电。由于 MAXIM1676 的升压器转换效率很高,从而使电池能量得以充分利用,降低设计成本.

　　4 检测仪的软件实现

　　F14x 系列的软件结构也针对低功耗而设计。如从休眠模式唤醒 MCU 仅需 6 μ S。其中断和子程序调用无层次限制,这种强大的中断能力减少了系统查询的需要,可以方便地设计出中断结构的数据采集程序。软件将通过精密放大器来的传感器信号进行 A/D 转换,并把转换后的数字量进行一定处理,找出浓度信号平稳后的最大值, 最后送液晶显示器显示。并且根据不同的要求,可键盘设置酒精浓度的阀值。该仪器软件程序主要使用 C 语言编写,采用了模块化结构程序设计方法。包括主程序、中断子程序等。系统在开机或复位后,首先进行初始化、自检,然后进入中断等待状态。中断子程序包括A/D 转换子程序、数据处理、预设阀值、显示、报警、按键判断处理、打印、。在进行阀值判断时是在内部用到了MSP430 的比较器。程序大部分时间处在低功耗休眠状态(LPM3 模式),每 10s 扫描一次键盘,工作是以中断方式完成功能,因此总体平均功耗很低,保证了电池的使用寿命。图 2 为软件方案总体流程图。

　　5 结束语

　　该检测仪通过软、硬联合调试, 达到了设计的要求。其充分了利用了 MSP430F149 的特点,结构简单、功耗低、携带方便、灵敏度高、可靠性好、故障率低,具有很好的应用前景。

　　参考文献:

　　[1] 沈建华.MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社.2004.

　　[2] 岳睿.警用呼气式酒精传感器的研究进展[J].化学传感器.2003,9(26):7-8.

　　作者简介:张艳丽(1974 —),女,硕士研究生,讲师,主要从事电子与自动控制技术方面的教学研究。

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