mq-3 酒精传感器学习笔记基于单片机的酒精浓度检测仪的设计

发布时间：2024-10-06 14:10:46

学习笔记基于单片机的酒精浓度检测仪的设计

本文基于现状设计的酒精浓度检测仪，与传统酒精检测仪相比，具有如下优点：（1）体积小，便于携带；（2）采用12位AD转换芯片，精度高；（3）一个周期内取样20次，并在软件程序中对采样数据进行平滑处理，误差小。

1 系统硬件设计

1.1 探测参数

本系统以酒精浓度作为主要的探测参数。通过检测酒精信号采集电路的电压值，并对数据做一系列的分析处理，就可以得到被检测者呼气中的酒精浓度值。

1.2 方案设计

图1是本系统的硬件流程图，其包括信号采集模块、信号处理模块、控制处理模块和人机通道。

1.2.1 信号采集模块

MQ-3酒精传感器对于10 ppm~1 000 ppm范围内的酒精信号都有高度的敏感性，此外它还有以下几个特点：响应时间短、恢复快；使用寿命长，测得数值较稳定；驱动回路简单，便于应用。

MQ-3酒精传感器输出回路如图2所示。

MQ-3具有6只针状引脚，其中4只用于信号取出，另外2只则用于提供加热电流。图2中的1、3、4、6四脚用于信号取出，2、5端之间是加热电阻丝。同时在5脚后需要再接一个适当值的电阻，起到限流的作用。MQ-3上的微型A2O3陶瓷管、SnO2敏感层材料遇到酒精分子时，3、4两端之间的敏感体电阻会发生变化，导致输出的电压值发生改变。由于这种变化是可逆的，因此酒精传感器在实际应用中能够重复使用，多次测量。如果用5 V的电源供电，理论上MQ-3传感器输出电压值应该是0~5 V，但是实验测得在无酒精的环境中传感器输出的电压值并不为0。这就需要对系统进行零点设置，为方便计算，本系统选择以数字电压值1 000作为系统检测零点。当得到的数字电压值小于1 000时，液晶不能显示酒精浓度值。

1.2.2 信号处理模块

酒精传感器将酒精浓度信号转换成模拟电压信号，模拟电压信号再分别通过滤波电路，AD模数转换电路后，转换成数字电压信号交由控制处理电路分析处理。图3为信号处理模块的流程图。

（1）滤波电路

滤波电路用于除去输出电压信号中可能夹杂的高频干扰信号。

（2）AD转换电路

传感器输出的电压信号通过滤波电路后，得到的是模拟电压信号，为了便于单片机数据处理需要将其转换成数字信号，因而其后连接了AD转换电路。在AD模数转换电路中，选用了12位的ADS7886芯片，具有高精度、低功耗、转换时间短、接口简单等特点[4]，同时价格经济实惠。ADS7886与单片机的接口电路如图4所示。

STC89C52单片机与ADS7886配套使用时，其中的VCC接5 V电压，图中电容是旁路电容，用于去除VCC中夹杂的高频信号。SCLK端口产生数据转换的串行时钟，故需要连接单片机时钟；CS端口是片选信号。VIN端口用于输入信号，SDO端口用于接收数字信号数据。ADS7886一边进行转换一边进行数据输出。这些数据包含前面4个0和随后的12位数。

（3）控制处理模块

控制处理模块主要指单片机最小系统。本系统采用的单片机是STC公司生产的STC89C52，它是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，且具有8 KB在系统可编程Flash存储器，此外它还具有程序无法解密、价格低、功耗低、运算高速、高可靠强性、抗静电和抗干扰能力强、功能强大等优点。STC89C52在智能化电子产品设计中有着极其广泛的应用。单片机最小系统如下图5所示。

1.2.3 人机通道

本系统中人机通道主要有按键检测模块、LCD液晶显示模块和声光报警模块。

（1）按键检测模块

测量键：只有当测量按键被按下后，系统才开始采集酒精浓度信号，并进行一系列的分析处理操作。

复位键：在一次测量结束后，需要复位操作后再次进行测量，否则可能引起较大误差。

RL分压电阻：用于调零。当设计的电路板被移动后，或者当MQ-3酒精传感器处于干扰较大的环境时，需要用螺丝刀调节RL分压，当调至液晶上AD显示1 000左右才可进行酒精浓度的测量操作。

（2）LCD液晶显示模块

LCD1602液晶功耗小、体积小、价格低廉，且能满足本系统设计的要求，故选择使用LCD1602作为本设计的显示模块。此外，LCD1602还具有对比度可调、内含复位电路、提供各种控制指令的特点。

本设计中LCD1602液晶的显示屏需要显示AD实时采样数字电压值和酒精浓度数值大小。

（3）声光报警模块

当检测到的酒精浓度超过200 mg/L时，黄色指示灯D2亮起，蜂鸣器发出报警声音，同时在液晶屏上显示当前被测酒精浓度；当检测到的酒精浓度超过800 mg/L时，红色指示灯D3亮起，蜂鸣器发出报警声音，同时在液晶屏上显示当前被测酒精浓度。在检测到的酒精浓度小于200 mg/L时，液晶屏上显示酒精浓度数值，报警指示灯不亮，蜂鸣器不鸣叫。声光报警模块如下图6所示。

2 系统软件设计

系统首先将得到的数字电压信号通过软件程序进行数据平滑处理，即在一个周期内采样取值20次，并用中间的10次采样值取平均值后作为此次酒精信号采样的数字电压值。再通过MQ-3敏感体电阻与分压电阻RL电压之比的变化量来计算酒精浓度变化量。系统将分析处理后的数据换算成酒精浓度值，然后再显示到LCD1602液晶上。如果测得的数据超过所设定的标准阈值，声光报警模块开始工作。同时也可以通过人为按键操作来控制人机互动功能。软件流程图如图7所示。

3 系统整体调试

首先把传感器置于无酒精的环境下，调节使得LCD1602显示的浓度数值为0.00 mg/L。在MQ-3可探测到的酒精浓度范围下，即10 ppm~1 000 ppm范围内，配制3种不同浓度的酒精液体，并预先计算好它们的浓度值。然后分别用棉花棒蘸取酒精液体后放置于传感器上方，若液晶显示的数值分别与配制的酒精浓度值相近，则调试成功；如果液晶显示值与配制的浓度值有较大偏差，则调试不成功，需进一步查找原因。表1给出了在100 mg/L、250 mg/L和900 mg/L时测量得到的酒精浓度值。可以发现，本设计测量的酒精浓度误差在2%以内，如果进一步优化，便可以实际应用。

4 结论

如果对本设计做一定程度的改进，并将它与多种传感器、远程处理等技术进行整合，就能够制成“酒精钥匙”。开车门之前，驾驶人需要按下开门键，待黄色准备灯亮起，对着这个吹棒吹气约2 s。如果驾驶人所做的酒精吹气测试结果未超过法定允许的标准值，绿色指示灯亮起，顺利通过酒精检测，车门打开，可以上路；如果驾驶人所做的酒精吹气测试结果超过法定允许的标准值，红色指示灯亮起，系统将使引擎维持在静止状态无法启动，这样就有效地遏制了酒后驾驶。相信随着科技的发展，这种酒精检测的技术将更广泛地应用于我们的生活。

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适合多种应用的低成本酒精传感器

目前全世界几乎所有国家的警方都采用呼气酒精检测仪对驾驶者进行现场定性检测，以确定驾驶者是否是酒后驾驶。

为了提高酒驾治理的高效性和主动性，酒精锁、车载酒精检测仪等安全技术装备开始在各个国家推广应用起来。

据报道，酒精锁已经在美国、法国、澳大利亚等多个国家普及应用，2021年起欧盟强制实施汽车酒精锁车系统，要求2022年5月前所有新车均需内置安装酒精测试仪的连接口。

此外，国外有激光式酒精检测仪等装备的研发应用，可实现对酒驾车辆的远距离探测，提高酒驾执法检查的针对性。

在我国，2020年全国两会期间，全国人大代表曾提出建议，拟在中国大陆推行使用车载酒精检测装置，以此借助现代科学技术手段预防危险驾驶罪的产生，从而一定程度上减少醉驾行为。

这种呼出气体酒精含量检测的方法是指通过某一种传感器将酒精气体转化为电流或电压信号，实现对呼出的肺泡气体中乙醇含量进行定量分析的仪器。

根据 JJG 657-2019《呼出气体酒精含量检测仪》检定规程，酒检仪根据测量原理可分为电化学型、半导体型和红外型。 其中半导体型是一种适合多种应用的低成本传感器。

MQ-3B气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在酒精蒸气时，传感器的电导率随空气中酒精蒸气浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-3B气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。这种传感器可检测多种浓度酒精气氛，广泛适用于车用酒精气体报警器、工业用酒精气体报警器以及便携式气体检测器。

MQ303B同样是一款半导体酒精传感器，对酒精具有高的灵敏度和快速的响应性能，适于便携式酒精探测器和汽车燃火系统等等。

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