0 引言

    在食品工業、釀酒行業、石化和工礦企業、環境檢測、公安交通管理、社會公用事業等一些國民經濟生產和人們工作生活的領域和場合中，常常需要檢測特定環境中酒精氣體的濃度，以確保工廠企業環境安全和人民生命財產安全^[1-4]。如監控酒精生產車間和石化廠的酒精濃度，可以避免工廠起火和爆炸事故的發生；監測工礦企業場地的酒精濃度，能避免工作人員出現酒精中毒等惡性事故；檢測司機體內酒精含量，可以防止駕駛人員酒后駕車，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十分廣闊的現實和潛在的市場需求，并具有十分重要的意義。傳統的酒精氣體檢測儀因傳感器性能、電路設計、數據處理算法等原因，存在著氣體選擇性不高、抗干擾性能差、智能化程度低、儀器操作復雜、無法實時保存和調看數據等突出問題^[3-4]。鑒于此，筆者設計和研制了一種無線智能酒精濃度探測儀，彌補了傳統酒精檢測儀器的缺點和不足。

1 系統總體方案

    該酒精濃度探測儀由發送端和接收端兩部分組成，其原理框圖分別如圖1和圖2所示。發送端主要包括酒精濃度傳感器與A/D轉換電路、STC90C52RC單片機、濃度閾值設置與聲音報警電路、語音播報電路、LCD顯示電路和無線收發電路六部分；接收端由無線收發電路、STC90C52RC單片機、數據接口通信電路和上位計算機組成。

2 系統硬件電路設計

2.1 傳感器電路與A/D轉換電路

    TGS2620為日本費加羅(FIGARO)公司生產的一款可以探測氣體中酒精濃度的半導體氣體傳感器，具有靈敏度高、功耗低、壽命長、成本低等特點^[5-6]。其電路連接如圖3所示，其中，R_H為加熱器電阻，室溫下時為83±8 Ω；R_S為傳感器電阻，其阻值和還原性氣體濃度之間的數學關系為：

    通過檢測V_RL就可以確定出待測氣體濃度C。

    電路中運放OP07接成電壓跟隨器形式，對傳感器和后級電路進行隔離，減小電源波動和外界因素對采樣數據的影響。ICL7660是MAXIM公司生產的小功率極性反轉電源轉換器，作用是將+5 V電源變換成-5 V電源為OP07供電。其中，C₁、C₂采用漏電小、介質損耗低的10 μF鉭電容，以提高電源轉換效率。TLC1549是TI公司生產的10位分辨率逐次逼近型ADC芯片，具有自動采樣和保持、可按比例量程校準轉換范圍、抗噪聲干擾功能，在滿刻度時總誤差最大僅為±1 LSB。

2.2 LCD顯示、閾值設置與聲音報警電路

    16×2個字符液晶顯示模塊DM-162顯示報警閾值和酒精濃度值。為了減少單片機I/O口的使用數量和簡化電路結構，采用間接控制(4位數據總線)方式，接口電路如圖4上部分所示。初始化時，需寫入28H指令碼將8位總線轉為4位數據接口方式。管腳BLA、BLK和VL分別是液晶背光源正極、負極和顯示對比度調整端，RS、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下部分所示。當設置鍵S1按下時，進入閾值設置(初始閾值為500 ppm)界面，再按下鍵S2或S3，對閾值作增加或減小操作，步長為20 ppm。閾值設置好后寫入STC90C52RC單片機片內5 KB EEPROM的第一扇區2000H和2001H地址中，使系統重啟不必重新設置。若酒精濃度值大于閾值，將P0.7口線置為低電平，三極管8550驅動蜂鳴器發聲音報警。

2.3 語音播報電路

    采用華邦(Winbond)公司的ISD2560語音錄放集成芯片作酒精濃度值播放，電路如圖5所示。話筒采用差分形式接入到片內前置放大器的MIC端和MIC REF端，以抵消噪聲和提高輸入共模抑制比。揚聲器接成雙端輸出形式，輸出功率為單端用法時功率的4倍。單片機的P2口、P3.0和P3.1口線分別與地址線A0~A9相連，用來設定ISD2560片內480 KB EEPROM(地址為0H~257H)中存儲語音段的起始地址，錄音和放音功能均從該起始地址開始，錄音過程中信息段地址自動增加。本系統在ISD2560中需錄入語音信息有：“當前酒精濃度值為”、“零”、“一”、“二”、“三”、“四”、“五”、“六”、“七”、“八”、“九”、“十”、“百”、“千”、“點”、“ppm(濃度單位)”。由于ISD2560的語音錄放時間為60 s，按每秒3個漢字計算，則可錄放180個漢字，因此滿足播報要求。此外，通過P3.0、P3.1和P2.0~P2.6口線可以配置ISD2560的操作模式^[7-8](地址為300H~3FFH)。P3.4~P3.6口線分別用來控制語音芯片的片選、芯片的開關、錄音/放音模式選擇。P3.2口用來判斷芯片的存儲空間是否已經填滿或者信息存儲是否溢出。由于錄音時在每個信息段結尾處自動插入標志，當放音遇到該標志時產生寬約為12.5 ms的負脈沖。用P3.3口檢測到此脈沖的上升沿后才播放另一段錄音，避免語音播放不連續。

2.4 無線收發電路

    系統采用NORDIC公司生產的工作于2.4~2.483 5 GHz的ISM頻段的單片無線收發器芯片nRF24L01完成無線數據的收發工作，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與單片機接口為四線SPI方式，CSN、SCK、MOSI、MISO管腳分別是SPI的片選使能線、時鐘線、數據輸入線、數據輸出線。IRQ為中斷信號線(低電平有效)，接至單片機的外部中斷管腳，單片機主要是通過該接口線與nRF24L01進行通信并判斷數據接收和數據發送是否完成。CE為芯片的RX/TX模式選擇線。IREF為參考電流輸入端，通過22 kΩ電阻接地。管腳ANT1和ANT2給天線提供平衡的RF輸出，通過后接的簡單射頻網絡匹配電路獲得單端50 Ω的阻抗輸出。網絡匹配電路在發送模式時阻止諧波，在接收模式時克制本地振蕩漏出。VDD_PA管腳輸出1.8 V電壓，給片內功率放大器提供電源。

2.5 數據接口通信電路

    接收端的計算機與單片機間的通信由串行USB接口集成電路CH340T完成，如圖7所示。CH340T支持USB1.1或者USB2.0/USB3.0通信，具有仿真接口，并且可以升級外圍串口設備，支持常用的MODEM聯絡信號，支持IRDA規范的SIR紅外通信，提供RS232、RS485、RS422接口等功能。CH340T內置有獨立的收發緩沖區，支持通信波特率50 b/s～2 Mb/s的單工、半雙工、全雙工等異步串行通信。圖7中，在CH340T芯片的發送腳TXD上反接一個二極管1N4001，防止該引腳將電流倒灌到單片機；在接收引腳RXD上加一個300 Ω的限流電阻來防止單片機對CH340T倒灌電流；從而避免電流倒灌導致不需要供電工作的另一方芯片繼續工作。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

    下位機的程序開發和調試是在Keil μVision4集成開發環境下進行的，包括發送端和接收端的軟件設計。

3.1.1 發送端軟件設計

    發送端軟件流程如圖8所示。單片機上電后進行系統初始化，完成單片機內部系統變量的初始化以及TLC1549、DM-162、ISD2560和nRF24L01等外部設備的初始設置；然后延時大約5 min，預熱傳感器TGS2620，保證傳感器工作正常；程序初始化結束后，系統進入監控狀態。若報警閾值設置鍵按下，進入報警限設置模式；若錄音鍵按下，進入錄音模式；然后啟動A/D轉換獲取采樣數據，作濾波處理、標度變換和系統誤差校正后得到被測酒精濃度值。該值與報警閾值比較，若結果是“大于”或“等于”，啟動蜂鳴器發聲程序，作聲音報警，提示酒精濃度超標；接著該值在DM-162液晶模塊上實時顯示；最后判斷放音鍵是否按下。若按下則根據酒精濃度值查找ISD2560中對應語音信息的存儲地址開始放音；放音結束后，該值由nRF24L01發送程序發送到接收端；待發送完成后，采集、顯示和發送新一輪的酒精濃度數據。

    發送端軟件應用了防脈沖干擾平均濾波法^[9]對A/D采樣數據作預處理。其原理是：連續采樣K次，然后對這K個采樣數據進行比較，去除其中的最大值和最小值，計算剩下的K-2個數據的算術平均值作為采樣有效值。該方法融合了中位值濾波法和算術平均濾波法的優點，既可去掉脈動性質的干擾，又可消除偶然出現的脈沖性干擾引起的采樣值偏差。為加快計算速度，設計數字濾波器時K=10。

    為了提高系統的實時性，軟件中采用分段線性插值法^[10-11]作標度變換。過程如下：(1)按傳感器TGS2620的標定曲線，將該曲線進行非等距分段(曲率變化大(小)時，樣點距離取小(大))，選取各分段點坐標(V_RLi，C_i)(i=0，1，…，M)，其中：V_RLi和C_i分別為不同樣點時傳感器輸出電壓值和對應濃度值；(2)計算相鄰樣點間的擬合直線斜率k_i=(C_i+1-C_i)/(V_RLi+1-V_RLi)(i=0，1，…，M-1)；(3)將M組坐標數據(V_RLi，C_i)和對應斜率k_i存儲于單片機片內EEPROM的第二扇區(地址為2200H~23FFH)中；(4)每采集到一個電壓值V_RL即查詢EEPROM表，找出V_RL所在區間(V_RLi，C_i)~(V_RLi+1，C_i+1)，取出該區間(V_RLi，C_i)和k_i數據，用線性插值公式C=C_i+k_i(V_RL-V_RLi)計算出當前酒精濃度值C。

    將采集到的N個樣本數據(x_i，y_i)代入式(5)中即得到系數a、b的值，并存入單片機的內存單元中。系統測量時，將標度變換后的酒精濃度測量值x代入誤差校正方程y=ax+b中，即可得到校正后的酒精濃度值y，從而達到消除系統誤差的目的。

3.1.2 接收端軟件設計

    接收端單片機的軟件流程如圖9所示。接收端開機上電后，程序初始化設置nRF24L01和串口，然后進入監控場景。當nRF24L01接收到一幀完整的酒精濃度數據后，立即通過串口發送到上位機。接收端單片機與PC之間數據交互采用異步通信模式。獨立波特率，串口協議設置為：波特率9 600 b/s，8 bit數據位，1 bit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于對象的程序設計語言Microsoft Visual Basic 6.0開發，實現酒精濃度數據的接收、顯示和保存。軟件用到了串行通信控件MSComm。MSComm控件是Microsoft公司提供的Windows下串行通信編程的ActiveX控件，通過對此控件的屬性和事件進行相應的編程操作，即可輕松地實現串行通信。串口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

    為了檢驗本系統的測量性能，采用無水乙醇和純凈水按照一定體積比配制標準的酒精溶液作為被測量對象，測試結果如表1所示。其中：單位ppm=μg/mL表示1 mL酒精溶液中含酒精的質量。由測量結果可以看出，測試數據覆蓋傳感器的量程，測試最大相對誤差小于±2%，優于同類設計產品^[3-5]。

    為了獲得本儀器發送端與接收端的最大無錯誤率的通信距離，在室外進行了nRF24L01隨距離的錯誤率(臨界區間)測試實驗，結果如表2所示。其中，每米的錯誤率是10次試驗后計算得到的平均值。可見，nRF24L01的傳輸距離可達到100 m，略高于RFID、ZIGBEE和藍牙等無線通信技術^[12]。

5 主要技術指標

    本儀器主要技術指標如下：(1)測量范圍：50~5 000 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：≤100 m；(5)工作電源：DC+5 V；(6)工作環境溫度：-40 ℃~+70 ℃；(7)工作環境相對濕度：0~85％RH。

6 結束語

    本文設計研制了一種基于STC90C52RC單片機、TGS2620酒精傳感器和nRF24L01無線通信芯片的酒精濃度探測儀。該儀器現已投入到成都市某小型釀酒廠酒池的實際生產中。現場工作情況表明：系統運行正常，工作可靠；系統具有氣體選擇性和靈敏度高、穩定性好、智能化程度高、通信距離遠、功耗低、抗工業干擾能力強、性價比優異等優點。該儀器可以應用于食品加工行業、工礦企業、石油和化學工業、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（如酒后駕車、交通警察執法）等需要現場檢測或無線遙測酒精氣體濃度的場合中，市場應用前景廣闊、推廣價值較高。

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作者信息:

胡仕兵，陳子為

(成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都610225)