基于STM32的车载酒精检测系统的设计

摘 要该系统主控制器选用微控制器STM32F103ZET6，半导体酒精传感器MQ-3和电化学酒精传感器ME3A-C2H5OH为该系统的传感器，采用TFTLCD为显示模块，SIM900A作为GPRS模块，设计了一个自行检测并实时上传酒驾车辆相关信息的车载酒精检测系统。

【关键词】微控制器 车载酒精检测系统 传感器

1 车载酒精检测系统的概述

车载酒精检测系统是指利用数据融合技术、传感器技术以及GPRS技术对车内空气中的酒精含量进行读取并做出综合处理，处理结果作为确定司机是否酒驾的依据。本文中设计了使用MQ-3和ME3A-C2H5OH对车内酒精含量进行检测，用模糊控制算法进行数据融合处理，STM32单片机作为控制中心，将酒驾车辆的相关信息利用GPRS远程无线数据传输发送至交警大队的控制中心。

1.1 车载酒精检测系统的设计原则

（1）具有实用性。不需要人工检测，只需要MQ-3和ME3A-C2H5OH对酒精含量进行检测。

（2）可靠性高的原则。相比单一酒精传感器，该系统检测的数据更加准确。

（3）功耗低的原则。人们一直关注车载设备的功耗问题，减少耗能量的同时也减少了对环境的污染。

（4）经济性原则。要尽量减少设计该系统的费用，使每辆汽车上都可以安装配备该酒精检测系统，提高了驾驶的安全性。

1.2 车载酒精检测系统的组成

本文设计的车载酒精检测系统以STM32单片机为基础，分为车载终端和无线数据传输两部分，其中车载终端是该系统的重点内容。为了便于观看，主控制器安装在汽车内部，在汽车外部画上主控制框图，酒驾数据通过GPRS模块发送至交警部门的控制中心或具体的手机号上。

1.3 系统总体设计的分析

本文设计的车载酒精监测系统是针对酒驾人群的，并且是自动化的，该系统的主要功能是通过酒精传感器对车内酒精含量进行自动检测，并将酒精含量输送至调理电路，调理电路将调理后的信号发送到STM32主控制器上进行数据融合处理，如果酒精含量超过预设值，则通过GPRS网络将酒驾车辆的数据发送至交警部门，从而实现实时监测的目的。

该系统的各部分功能如下：

（1）MQ-3和ME3A-C2H5OH作为该酒精检测系统的终端采集工具来采集车内空气中酒精的含量。

（2）酒精传感器将采集到的酒精浓度的信息发送到微处理器进行处理。

（3）微处理器对数据进行分析得出酒精浓度值，并将该数值与预设值进行比较，如果超出，汽车内液晶显示屏将会周期性闪烁，通过闪烁信号来提醒司机已处于酒驾状态，该酒驾数据也将通过GPRS网络实时发送至交警控制部门或具体的手机号上。

2 控制器的电路设计

2.1 控制器的选型

本文中酒精检测系统需要完成的功能较多，并且酒精检测系统要具有实时性好、稳定性和性价比高等优点，所以选用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6微控制器。

（1）用于存放程序和数据的内置高速存储器，其片内FLASH容量可高达512K字节。

（2）CPU读写时可以0字节进行读写，并且SRAM有64字节，这样不但可以降低成本，还可以提高系统的可靠性和稳定性。

（3）可有软件配置的输入输出功能的通用I/O口有112个，可以根据具体需要将输入输出功能配置成不同的功能。STM32单片机的I/O口有CMOS和TTL两种管脚，并且所有管脚都可以兼容CMOS和TTL电平。

（4）3+2个通用同步/异步接收发送器，接口速率可高达4.5兆位/秒。

（5）STM32F103ZET6支持三种低功耗模式，包括待机、睡眠、停机。

（6）VDD的电压范围在2.0V-3.6V之间，接口的耐压值是5V。

总而言之，与同类酒精检测系统相比较，STM32F103ZET6芯片的引用，不仅降低了功耗和成本，整个系统的运营效率和性能都得到显著提升。

2.2 STM32F103的电路设计部分

2.2.1 晶振电路

STM32F103ZET6单片机采用32.768KHz和8MHz的两个外部晶振，但一般我们的实时时钟的提供采用8M晶振。

2.2.2 复位电路

设计上电或按键复位电路的目的是使系统的可操作性提高，当复位电压高于RST上的电压，系统将进入复位状态。当电源被接通的瞬间，电容C25由于充电作用，使RST上的是低电平，单片机就会自动复位，实现单片机复位还有另一种方法，即在单片机运行过程中，按一下B1键，使RST保持一段时间低电平。

2.2.3 JTAG/SWD接口

JTAG联合测试行动小组是一种国际标准测试协议，标准的JTAG接口包括模式选择（TMS）、时钟（TCK）、数据输入（TDI）、和数据输出线（TDO）。我们可以通过与目前的主流JLINK V8仿真器相互配合使用，也可以通过JTAG接口烧录和调试程序，而且还有SWD接口，SWD模式比JTAG在高速模式下更加可靠。

2.3 酒精传感器模块

2.3.1 MQ-3模块概述

MQ-3的气敏材料是二氧化锡，当空气中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率会随着酒精浓度的增加而增大，然后将电导率转换为气体浓度相对应的信号通过简单的电路即可实现该功能，主要特点如下：

（1）信号输出时进行提示。

（2）双通道信号输出。

（3）TTL输出的信号是低电平。

（4）模拟输出电压的范围在0～5V之间，电压与浓度成正比。

（5）对酒精蒸汽比较灵敏。

（6）稳定性好、可靠性高且使用寿命长。

2.3.2 ME3A-C2H5OH模块介绍

ME3A-C2H5OH利用待测气体在电解池中工作电极点位上的电化学氧化过程，遵循法拉第定律，与待测气体发生化学反应所产生的电流与其浓度成正比，所以通过测定电流的大小来确定气体的浓度。具有精度高、功耗低、灵敏度高、线性范围宽、强的抗干扰能力以及优异的重复性和稳定性。

2.3.3 信号转换硬件设计

系统将采集的酒精浓度信号转换成数字信号，信号转换电路如图1所示。

图1：信号转换电路

2.4 液晶显示模块

本系统控制器的TFT LCD是32寸的ILI9320，TFT的全称是Thin Film Transistor，指的是薄膜晶体管，即可以“主动的”控制屏幕上每个独立的像素，但一般代指薄膜液晶显示器。ILI9320是一种晶体管显示器，可以控制一种具有262144种颜色单芯片SoC驱动，320路源极栅极驱动和720路的驱动，分辨率是320×240，容量172800个字节，自身带有显存。

2.5 GPRS模块电路的硬件设计

当前社会，在很多数据收发领域有很多类型GPRS模块，有TC45、MC35i、TC35i等西门子公司生产的模块，有GR47、GR48等索尼公司生产的模块，还有H7210等宏电公司生产的模块，无线采集数据具有特殊性，结合这一特点，再通过将各种模块进行综合比对，最后GPRS通讯部分选择SIM900A模块。

2.6 电源电路设计

本系统中，需要进行供电的模块有单片机系统、GPRS模块、TFTLCD液晶显示部分、酒精传感器部分，其中GPRS模块采用+12V供电，酒精传感器模块需+5V供电，TFTLCD液晶显示部分和单片机系统均使用+3.3V供电。由于汽车上的供电电压是+12V，因此需要将电压进行转换到+5V、+3.3V，这就需要LM2596开关电压调节器进行转换电压。

3 系统软件的设计

3.1 系统的主程序设计

主控制器STM32F103ZET6被初始化之后，该系统首先设定一个初始值通过串口，来判断是否酒驾，然后MQ-3、ME3A-C2H5OH对酒精含量进行测量，采集的数据通过主控制器进行数据融合处理，根据模糊控制算法得出一个最终数值，将该数值与预设值进行比较，如果比预设值高，则进行语音报警，记录数据并通过液晶显示屏显示酒精浓度值，与此同时，将该车辆的相干信息通过GPRS网络发送至交警部门。

3.2 酒精含量信息采集单元的软件设计

酒精传感器的作用是对车内酒精含量进行检测，MQ-3酒精传感器将酒精浓度信号转换为电信号传送给ADC模数转换器，ADC将接收的信号转换成数字信号传送给STM32，然后主控制器综合分析处理输入的数字信号。ME3A-C2H5OH利用待测气体电极点位上的电化学氧化过程中待测气体浓度与产生的电流遵循法拉第定律成正比，来通过测定电流大小确定待测气体的浓度

3.3 GPRS模块程序设计

系统会通过GPRS网络在检测到的数据传递到控制中心时，会建立一个TCP或者UDP连接，连接成功后，数据就可以安全可靠的传递到控制中心，然后对数据进行分析并对监测系统做出回应。通信结束后，体统自动断开连接，整个通信过程完毕。

参考文献

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