基于STM32的便携式酒精浓度检测仪设计与实现测控毕业论文最终版.docx
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分类号：
TP932UCD：
D10621-408-（2015）-1410-0
密级：
公开编号：
2011071024
成都信息工程大学
学位论文
基于STM32的便携式酒精浓度检测仪设计与实现
论文作者姓名：
申请学位专业：
测控技术与仪器
申请学位类别：
工学学士
指导教师姓名（职称）：
论文提交日期：
2015年06月10日
基于STM32的便携式酒精气体浓度检测仪设计与实现
摘要
近年来，随着我国经济快速发展，给人们也带来了很多利益。
人们的生活和消费水平迅速提高，制造业也在快速地发展。
现在，私家车对于很多人来说已经不再是奢侈品了。
但是交通事故发生概率也大大增加了，尤其是由于酒后驾车而引起的。
如果饮酒过多，会造成体内酒精浓度过高，给饮酒者带来不良的生理反应。
例如，麻痹神经、肢体不受控制、大脑反应迟钝等等。
所以,过量饮酒者开车是一件非常危险的事情，但是少量饮酒并不会有上述症状。
因此，我们需要设计一个能够检测驾驶员体内酒精含量的智能仪器。
目前，许多国家采用呼气酒精检测仪来检测驾驶员体内的酒精含量。
在本课题中使用MQ-3气体传感器采集数据，经过STM32单片机处理，如果浓度值超过标准，系统将给予声光报警，并液晶显示浓度。
关键词:
酒驾；MQ-3气体传感器；STM32单片机；酒精含量；声光报警
DesignofPortableAlcoholConcentrationDetectionInstrumentBasedonSTM32
Abstract
Inrecentyears,WiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,ithasbroughtpeoplealotofbenefits.People'slifeandconsumptionlevelincreaserapidly,andmanufacturingindustryisalsodevelopingquickly.Now,theprivatecarforalotofpeoplehaveisnolongeraluxury.Butthetrafficaccidentprobabilityhasgreatlyincreased,especiallyduetodrunkdriving.Ifexcessivedrinking,thealcoholconcentrationwillraiseinbody,bringtheadversephysiologicalresponsestothedrinkers.Forexample,nerveparalysis,bodyoutofcontrol,theslowresponseofthebrainandsoon.So,driveafterexcessivedrinkingisaverydangerousthing.Butasmallamountofalcoholdoesnothavethesesymptoms.Atpresent,inmanycountries,thebreathalcoholdetectorisusedtodetectalcoholcontentinthedriver'sbody.Inthispaper,theMQ-3gassensorisusedtocollectdata,thedataisprocessedthroughSTM32MCU.Iftheconcentrationexceedsthestandard,thesystemwillgivesoundandlightalarm,anddisplayconcentrationthroughliquidcrystalmonitor.
Keywords:
drunkdriving;MQ-3alcoholconcentrationsensor;STM32MCU;alcoholcontent;soundandlightalarm
目录
论文总页数：
31页
1引言 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题研究思路 2
2系统方案设计 3
2.1技术指标 3
2.2总体设计方案 3
3硬件电路设计 4
3.1元器件选择 4
3.1.1酒精气体传感器 4
3.1.2单片机介绍 6
3.1.3充电芯片 10
3.1.4低压差调节器 12
3.1.5显示屏 12
3.2主要功能模块电路图 13
3.2.1充电及稳压电路模块 13
3.2.2传感器及信号调理电路模块 14
3.2.3声光报警电路模块 14
3.2.4显示屏模块电路 15
3.3硬件成品展示 15
4软件编程设计 16
4.1软件整体设计 16
4.1.1整体设计方案 16
4.1.2主程序流程图 16
4.1.3主程序设计 17
4.2数据采集模块程序设计 18
4.3液晶显示模块程序设计 19
4.4报警模块程序设计 20
4.5A/D转换模块程序设计 21
5系统调试 22
5.1各模块调试 22
5.1.1传感器测试 22
5.1.2充电电路测试 22
5.1.3报警电路测试 23
5.1.4系统整体调试 23
5.2调试结果分析 23
5.2.1测试数据 23
5.2.2误差分析 23
5.3调试中的问题及解决方案 24
6结论 25
参考文献 26
致谢 27
声明 28
附件 29
1引言
1.1课题研究背景及意义
据统计，2011年我国共生产了白酒约1026万吨，排除重复统计的数据，实际的消费量为800万吨。
如果把消费群体定位在15岁以上的成人，当时我国约有11.5亿15岁以上的成人，那么可以计算出当时我国成人人均消费的白酒为6.96升。
另外，还有啤酒，洋酒，红酒的消费，当时我国人均消费的啤酒约为36升、洋酒约为1.2升、红酒约为1.24升。
如果按照白酒的酒精含量65%、红酒的酒精含量10%、洋酒的酒精含量40%、啤酒的酒精含量4%来计算，那么当时我国人均纯酒精消费量约为6.566升。
但是随着我国的经济快速发展，人们的生活、消费水平也逐渐提高，酒精的消费量也再快速的增长，由于饮酒过多而造成的社会安全问题也频频发生。
比如由于酒驾引起的交通事故等等。
当酒精在人体血液里达到一定浓度的时候，会导致驾驶者神经麻痹、触觉能力降低、判断能力和操作能力也会降低。
并且会使驾驶员视力暂时受损，分辨颜色的能力下降，视像不稳等，这些症状会使驾驶者不能发现或正确领会标志、标线、交通信号灯所要表达的意思，在这种情况下，驾驶员几乎失去了驾驶能力，发生交通事故的概率极限增加。
据世界卫生组织调查，由于酒后驾车造成的交通事故的数量非常庞大，大约占所有交通事故的50%—69%，而且由酒驾造成的交通事故后果一般都非常严重，所以酒后驾车已经被认为是车祸致死的主要原因。
在中国，每年都有数万起交通事故是由于酒后驾车而造成的，因此交通事故的第一“杀手”被认为是酒后驾车。
1.2国内外研究现状
目前，电化学性质的酒精检测仪在全世界是使用得最多的。
酒精检测仪根据显示方式的不同主要分为两种：
其中一种是发光管显示。
最常见的发光管显示是三段式显示，其中未饮酒区为第一段，饮酒区为第二段，酗酒区为第三段。
并且每一段都有一个不同颜色的LED灯，根据测试的结果，来点亮对应那一段的LED指示灯。
另一种酒精测试仪是数码管显式，它是以数字的形式来显示检测的结果。
而这两年出现了一种新型的半导体酒精检测仪，它就是一种拥有高可靠性、高精度、呼吸式等特点的酒精浓度检测仪ca2000。
新型高科技微变氧化物半导体是它的核心部件，可以非常准确的检测气体的酒精含量，而且不会受非酒精类气体的干扰，比如烟味、可乐、咖啡等等。
ca2000拥有小巧轻便，操作简单等特点，所以它是便携应用的最佳选择[1,2]。
如果驾驶员喝了酒，那么他呼出的气体中就含有酒精气体，所以为了检查酒驾，便携式的酒精检测仪得到了交警的广泛使用。
而目前使用的酒精检测仪检测驾驶员是否饮酒只能够初步的判断，最终还需要通过血检来检测驾驶员体内的酒精含量，来判定驾驶员是不是构成了酒驾。
为了检测更方便，一种超级酒精呼吸检测仪诞生了，它是由英国内政部推出的。
这种酒精检测仪不仅仅是通过驾驶员体内的酒精含量来判断驾驶员是否酒驾，它还根据驾驶员的体温，呼吸频率等多方面的因素当场判断驾驶者是否酒驾[3]。
受20世纪信息技术快速发展的影响，传感器技术已经发展到了一个非常高的地步了，在各个领域都得到了广泛的使用，扮演着非常重要的角色。
因此酒精浓度检测仪应该向着高精度，高可靠性，高稳定性与微型化的方向发展。
到目前为止，检测酒精气体含量的设备主要分为5种类型，它们分别是：
燃料电池型（电化学）、气体色谱分析型、比色型、半导体型和红外线型。
其中燃料电池和半导体型这两种类型的酒精含量检测仪在价格这方面比起其他类型的较便宜，而且使用起来非常方便。
所以这两种类型的酒精含量检测仪使用得比较多。
环保型能源燃料电池可以直接把可燃气体转变为电能，而在整个过程中却不产生污染，所以全世界都在广泛的研究。
而酒精传感器只是研究燃料电池的一个小小的分支。
因此燃料电池型酒精传感器诞生，它的原理是：
使用贵金属铂金作为电极，在燃烧室内燃烧酒精，在燃烧的过程中使用了特种催化剂，使酒精充分燃烧。
并且转变成电能，也就是在两个电极上产生了电压，由此转换来的电压与在燃烧室内燃烧的气体的酒精浓度是成正比的，在外部通过接入负载来消耗电能[4,5]。
燃料电池型酒精浓度检测仪与半导体型的相比，它具有以下几个优点
1）稳定性好
2）精度高
3）抗干扰能力强的优点
但是燃料电池型酒精传感器也存在一些致命缺点，比如说在制造过程中对传感器的结构要求非常精密，制造难度非常大等。
所以目前能够生产燃料电池型酒精传感器的只有少数几个国家，比如美国、英国和德国等，再加上制造成本高，所以成品的价格较贵，与半导体型酒精传感器比起来贵几十倍。
所以在日常生活中用得最多的还是半导体型酒精传感器[6]。
1.3课题研究思路
伴随着单片机（MCU）技术的快速发展和日益完善，单片机在我们的日常生活中已经是屡见不鲜了，我们将它应用于各个领域。
从智能控制到监测方面，与其他技术相比，单片机的优越性是非常的明显。
本课题研究的是一种以酒精浓度传感器和STM32单片机为主，对空气中的酒精浓度值进行检测，并且将浓度值通过LED显示屏显示出来，最终对超过阀值的浓度值进行声光报警。
其可检测出人体呼出的气体和空气环境中的酒精浓度,只要浓度值大于阈值就进行声光报警，这个阈值是根据要求和环境的不同来设定的。
在本课题设计中使用MQ-3酒精传感器采集数据，它将采集到的信号转换为电信号，电信号经过处理后传给STM32单片机，STM32单片机内嵌有A/D转换器，它将电信号转换成数字信号，然后STM32单片机再对数字信号进行分析处理，转换为酒精浓度值，最后通过显示屏将浓度值显示出来。
在程序编写的过程中设置了一个阀值，当被检测空气中的酒精浓度值大于阀值时，单片机会控制LED灯亮和蜂鸣器响来实现报警的功能。
综上所述，本课题研究的主要思路是：
以空气中酒精浓度为感知量，设计酒精气体传感电路，传感器负责采集信号，然后将采集的模拟信号经过A/D转换器，转换成数字信号后，再由单片机分析处理转换成浓度值以完成空气中酒精浓度的测量。
如果浓度值大于了阀值，就进行声光报警。
2系统方案设计
2.1技术指标
中国大陆地区血液中酒精浓度（BAC）与呼气酒精浓度（BrAC）的比值采用2200，即两种单位之间的换算关系为BAC=BrAC*2200。
判断是否酒驾以及醉驾的标准如表2-1所示：
表2-1是否构成酒驾或醉驾参考标准
行为类别
血液酒精含量（BAC）
呼气酒精含量（BrAC）
饮酒驾车
0.2g/L-0.8g/L
0.0909mg/L-0.3636mg/L
醉酒驾车
>0.8g/L
>0.3636mg/L
报警浓度
0.5g/L
0.24mg/L
根据酒精气体浓度检测仪的测量结果，来看结果是落在哪个区域，从而判断驾驶员是否酒驾。
同时判断是否报警。
2.2总体设计方案
总体设计方案如图2-1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。
同时将酒精浓度值与阀值进行比较，对于超过阀值的进行声光报警。
单片机
信号调理模块
酒精气体传感器
声光报警模块
液晶显示模块
图2-1总体设计方案框架图
3硬件电路设计
3.1元器件选择
3.1.1酒精气体传感器
1）MQ-3传感器工作原理
MQ-3酒精气体传感器中使用了气敏材料二氧化锡，该传感器是半导体气敏元件。
它的电导率会根据空气中酒精气体浓度的不同而不同，酒精气体的浓度越大，电导率也就越大。
那么它输出的电压值就会随着酒精浓度的增加而增大｡在外部使用简单的电路就可以通过电压值的变化将电导率的变化表现出来，并且该电压值是与酒精气体浓度值相对应的，最后将该信号与预先设定的阀值进行比较，如果大于阀值就进行报警[7]。
2）传感器的管脚分布及外形
MQ-3酒精气体传感器由以下几部分组成：
（1）SnO2敏感层
（2）微型AL2O3陶瓷管
（3）加热器
（4）测量电极构成的敏感元件
它被固定在不锈钢或塑料制成的腔体内，由于传感器工作前必须要预热，所以它的内部有一个加热器专门用来加热传感器。
封装好的MQ-3酒精气体传感器有6只针状管脚，读取信号的引脚有4个，另外2个引脚专门提供电流来加热传感器。
MQ-3的管脚分布如图3-1所示，A脚和B脚是用来读取信号的；提供加热电流的是2个f引脚，电阻丝的阻值为30Ω，当电流经过电阻丝时，电阻丝会被加热。
MQ-3的引脚分布如图3-2所示。
图3-1MQ-3的引脚
图3-2MQ-3传感器实物图
3）MQ-3气体传感器的特点
（1）灵敏度高
（2）快速响应恢复特性
（3）使用寿命长
（4）稳定性可靠
（5）驱动回路简单
（6）可以抵抗其他气体的干扰
（7）具有信号输出指示
（8）双路信号输出，并具有信号输出指示
（9）TTL输出有效信号为低电平
（10）输出电压范围为0-5V
4）MQ-3气体传感器对酒精气体浓度的标定
传感器内部的气敏电阻的输出阻值与酒精气体浓度有关，它随着酒精浓度的变化而变化。
如图3-3所示，其中:
Rs是MQ-3酒精气体传感器的输出阻值，它在不同气体以及不同浓度下是不同的；R0是MQ-3酒精气体传感器在洁净空气中的电阻值。
从图中可以看出Rs/R0的值与酒精浓度成某种关系，而Vs与Rs、V0与R0也都成正比，所以Vs/V0=Rs/R0，所以Vs/V0与酒精浓度也成同样的关系。
通过查看手册，找出了这种关系。
如公式3-1所示：
alcometer=（V0/Vs-1.12）/（-0.101）-1.1（3-1）
在环境不变的情况下V0是一个定值，所以只需要算出MQ-3气体传感器在酒精气体环境下的输出电压值，就可以算出酒精气体的浓度。
Vs是根据公式3-2算出的。
Vs=Adc_avg*3.34/4096（3-2）
式中的Adc_avg是A/D转换器输出的平均值，Vs是传感器在有酒精气体环境中的输出电压。
图3-3中的Rs/R0与酒精浓度的关系是建立在如下环境中的：
温度：
20°C
相对湿度：
65%
图3-3MQ-3的灵敏度特性曲线
3.1.2单片机介绍
在本课题中选用的单片机型号是STM32F103VCT6，它的管脚分布如图3-4所示。
STM32F103xxx系列单片机的功能以及外部设备配置如表3-1所示。
图3-4STM32F103VCT6单片机管脚分布
表3-1STM32F103xx系列单片机功能及外部设备配置
外设
STM32F103Tx
STM32F103Cx
STM32F103Rx
STM32F103Vx
闪存（K字节）
64
64
128
64
128
64
128
SRAM（K字节）
20
20
20
20
定时器
通用
3个（TIM2、TIM3、TIM4）
高级控制
1个（TIM1）
通信接口
SPI
1个（SPI1）
2个（SPI1、SPI2）
I2C
1个（I2C1）
2个（I2C1、I2C2）
USART
2个
（USART1、USART2）
2个
（USART1、USART2、USART3）
USB
1个（USB2.0全速）
CAN
1个（2.0B主动）
GPIO端口
26
37
51
80
12位ADC模块
（通道数）
2（10）
2（10）
2（16）
2（16）
CPU频率
72MHz
工作电压
2.0-3.6V
工作温度
环境温度：
-40℃-+80℃
封装
VFQFPN36
LQFP48
LQFP64
LQFP100
1）STM32F103VCT6的主要特点
（1）核心处理器是ARMCortexM3
（2）缩减的引脚数目
（3）系统功耗低
（4）计算性能优越
（5）高级的中断系统响应
（6）程序存储器256KB
（7）数据随机存储器48KB
（8）工作电压：
2.5V或3.3V
（9）工作温度：
-40°C-+85°C
（10）内嵌2个12bit的A/D转换器，可用A/D通道16个，转换范围为0V-3.3V
（11）一共有100个引脚，其中80个为I/O端口。
绝大部分端口都可以接受5V信号
（12）拥有7个定时器
2）低功耗模式
（1）睡眠模式：
在睡眠模式时，只有CPU停止，其他的外部设备都处于工作状态，可以通过中断或事件来唤醒CPU。
（2）待机模式：
在待机模式下会关闭内部的电压调压器，电能消耗达到最低。
并且此时内部所有由1.8V供电的部分将被断开；并且RC振荡器也都会被关闭；在待机模式下，待机电路仍然在工作，但是，寄存器和SRAM的内容将会消失，后备寄存器的内容仍会保留。
只需要满足NRST上的外部复位信号或者是WKUP管脚上的一个上升边沿这两个中的任意一个条件，就可以从待机模式中退出。
（3）停机模式：
在停机模式下，内部由1.8V供电的部分将不能工作，并且RC振荡器也都会被关闭，可以把调压器设置成低功耗和普通模式这两种模式。
把CPU从停机模式中唤醒的前提条件是配置一个EXTI的信号，这个信号的来源有很多方式，比如说可以由16个外部I/O端口中的任意产生，也可以是PVD的输出，也可以是RTC闹钟和USB的唤醒信号[8,9]。
3）I2C总线
有多达2个I2C总线接口，它们的特点如下
（1）支持标准和快速模式
（2）支持7位或10位寻址
（3）可以使用DMA操作
（4）支持SMBus和PMBus总线
4）定时器
STM32F103VCT6中包含7个定时器，它们分别如下：
（1）高级控制定时器1个，特点如下
①可以被当成是完整的通用定时器
②可以被当成是三相PWM发生器
③具有带死区插入互补PWM输出
④拥有四个独立通道，它们都可以用于单脉冲输出、输入捕获、输出比较以及产生PWM
⑤计数器可以被冻结，用于调试
（2）通用定时器（TIMx）
有3个可以同步运行的标准定时器，特点如下
①拥有一个16位自动加载递加计数器，也可以用作递减计数器
②拥有一个16位预分频器
③拥有4个独立的通道，可以用于单脉冲模式输出、输入捕获以及输出比较
（3）独立看门狗定时器1个
它的时钟是由一个内部独立的40KHz的RC振荡器来提供的，并且这个RC振荡器独立于主时钟，所以它可以在待机模式和停机模式之间切换。
它的特点如下：
①可以复位整个系统
②可以为应用程序提供超时管理
③可以通过硬件或者软件启动
④有一个12位的递减计数器
⑤有一个8位的预分频器
（4）窗口看门狗定时器1个，特点如下
①有一个7位的递减计数器
②可以被配置为自由运行
③可以复位整个系统
④有早期预警中断的功能
（5）系统时基定时器1个
它既可以用于实时操作系统，也可以用作是一个标准的递减计数器。
它具有以下四个特点：
①24位的递减计数器
②可编程时钟源
③当计数器为0时能够产生一个可屏蔽系统的中断
④自动重加载功能
5）通用输入输出接口（GPIO）
每一个GPIO引脚都能够通过软件来配置，可以将它们设置成输入、输出或复用端口。
除了那些具有模拟输入功能的端口，其余的GPIO引脚都能够通过大电流。
如果想要将I/O引脚的外设功能锁定，那么只需要进行一个特定的操作就可以了，这样就可以防止意外写入I/O寄存器。
6）ADC
STM32F103VCT6单片机内部嵌有2个12位的模拟/数字转换器，这两个转换器有以下几个特点：
（1）每一个ADC都拥用16个外部通道
（2）可以实现单次或扫描转换
（3）在扫描模式下，可以自动切换为选定的模拟输入中的任何一个
ADC接口上其它的逻辑功能还包括
（1）交叉采样和保持
（2）同步采样和保持
（3）单次采样
3.1.3充电芯片
1）工作原理
整个设计使用锂电池来供电，当锂电池电能用完时，就要对它进行充电。
在本设计中选择了TP4054这块充电芯片，它是一款采用恒定电压/电流的单节锂电池线性充电器，它能够提供800mA的充电电流，它采用的是SOT-25封装，并且外部元件数目较少，因此TP4054是便携式应用的最佳选择，它可以通过USB电源和适配器电源对锂电池进行充电，并且它的内部有防倒充电路，所以没有必要在外部单独设计检测电路和隔离二极管。
它的输出电压稳定于4.2V，而且充电电流是可以进行设置的，只需要在外部设计一个电阻器就可以了。
让一个充电循环开始的条件有3个，它们分别是
（1）Vcc引脚的电压大于UVLO门限电压
（2）5引脚与地之间连接一个设定电阻器
（3）3引脚连接一块电池
2）工作模式
（1）涓流充电模式
TP4054进入涓流充电模式的条件是3引脚的电压小于2.9V。
在该模式下，TP4054提供的电流只有设定充电电流的1/10，当电流电压大于安全的电平时，就可以达到满电流进行充电。
（2）恒定电流模式
TP4054进入恒定电流模式的条件是3引脚的电压大于2.9V，在此模式下向电池提供稳定的电流进行充电。
（3）恒定电压模式
TP4054进入恒定电压模式的条件是3引脚的电压达到最终浮充电压4.2V，在此模式下充电电流
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