宋艷麗,宋 武

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北黃岡 438000)

基于數(shù)據(jù)存儲的酒精測試儀的研究與設(shè)計

宋艷麗,宋 武

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖北黃岡 438000)

在我國醉駕與酒駕是目前造成交通事故的主要原因之一，快速高效監(jiān)測酒精濃度，而且能存儲記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)權(quán)威性，是有效遏制醉駕與酒駕的有效手段之一。在結(jié)合傳統(tǒng)酒精濃度監(jiān)測的基礎(chǔ)上，增加圖像傳感器，以FPGA為控制核心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測駕駛員的圖像和采集過程中的實(shí)時酒精濃度數(shù)據(jù)，并能及時存儲，超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)報警提示。

酒精傳感器；圖像傳感器；檢測儀

近年來，隨人們社會水平提高，有車一族逐漸增長。因汽車數(shù)量增加，引起的交通事故也在不斷增加，其中因酒后駕車引起的交通事故占有很大的比例?，F(xiàn)交通警察為了確定駕駛員是否酒駕或醉駕，一般采用在飯后一段時間利用呼氣式酒精測試儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測，或者到醫(yī)院采血進(jìn)行血液酒精檢測，這均是交警到現(xiàn)場進(jìn)行隨機(jī)抽檢的方式[1]，但存在使用范圍窄，不便于攜帶等弊端，而且有些駕駛員還無辜耍賴，不斷拖延時間，事先監(jiān)測的數(shù)據(jù)也會帶來一些誤差。針對現(xiàn)在的酒精檢測儀存在的不足，在傳統(tǒng)的酒精測試儀的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了圖像采集和實(shí)時記錄原始數(shù)據(jù)的功能，同時力求小巧、操作方便、測量精度高、便于攜帶的角度進(jìn)行研究和設(shè)計。

1 研究原理

所研究和設(shè)計的酒精測試儀具有酒精濃度的判斷、駕駛員圖像的采集、測量原始數(shù)據(jù)的實(shí)時記錄、數(shù)據(jù)按鍵回訪以及超限報警等功能。酒精測試儀的工作原理是通過酒精濃度傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，將檢測的模擬信號利用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；同時通過圖像傳感器進(jìn)行圖像信息采集測量對象，一并送入微控制器進(jìn)行分析處理，并通過顯示器顯示測量的酒精濃度隨時間變化原始曲線和采集對象，當(dāng)酒精濃度超過預(yù)先設(shè)置的初始值時，發(fā)出報警信號，同時將采集環(huán)境信息存儲到微控制器中。電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路研究與設(shè)計

2.1 微控制器

微處理器是整個酒精測試儀的控制核心，控制A/D轉(zhuǎn)換器、圖像采集、顯示器和報警電路等。選用了選用ALTERA公司的CYCLONE系列芯片EP1C12Q240C8N，采用了VHDL語言在QuartusⅡ9.0軟件上開發(fā)。該系統(tǒng)控制器在FPGA配置之前和掉電過程中(僅通過JTAG抽頭)一加電即可正常運(yùn)行，常用A/D轉(zhuǎn)換器可以將片上模擬傳感器輸出數(shù)字化，并且可以監(jiān)控17個外部模擬輸入來獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，自動校準(zhǔn)和自檢特性可以較大溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確而又可靠的測量。

2.2 酒精傳感器

所選用MQ-3氣體傳感器對周圍酒精成分反應(yīng)敏感，靈敏度高。因?yàn)镸Q-3氣體傳感器選用了在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)的氣敏材料。MQ-3氣體傳感器當(dāng)其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導(dǎo)電電子數(shù)量就會發(fā)生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的增加而增大[2]。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。另外MQ-3氣體傳感器外圍電路連接方便，容易將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。對應(yīng)連接電路如圖2所示。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，在設(shè)計中就是將酒精濃度信號將其快速、高精度地轉(zhuǎn)換為FPGA所能夠處理的數(shù)字量。其工作原理是FPGA通過控制總線輸入采集端口地址，此地址經(jīng)ADC0809譯碼后選通8路模擬采集的其中一輸入口，通過FPGA輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)AD0809的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量信號輸出到數(shù)據(jù)總線上，由FPGA存儲起來。A/D0809與FPGA聯(lián)系電路如圖3所示。

圖2氣體傳感器MQ-3 電路連接 圖3A/D轉(zhuǎn)換連接電路圖

2.4 圖像采集

圖像采集核心是圖像傳感器。設(shè)計中采用了OV7620，其內(nèi)置640x480的圖像陣列，每秒可輸出30幀以上的圖像，該器件能夠通過串行SCCB接口編程，通過編程實(shí)現(xiàn)8位和16位格式的輸出。與FPGA連接時的工作連接電路如圖4所示，UV0～UV7及Y0～Y7是圖像數(shù)據(jù)的輸出總線,直接與FPGA對應(yīng)的引腳相連，HREF與VSYNC分別是圖像的行同步信號和幀同步信號，圖像數(shù)據(jù)發(fā)生跳變是在PCLK時鐘的上升沿到來。

2.5 報警電路

報警電路起到超過設(shè)定的濃度就報警，達(dá)到提醒目的。設(shè)計中采用了蜂鳴器，蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到5V電源，另一端與三極管的集電極連接，F(xiàn)PGA一輸出端與ui連接，與非門的輸出端通過電阻R1與三極管的基極連接。當(dāng)檢測的濃度大于設(shè)定值時，ui輸出為低電平，此時與非門A1輸出為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音；否則三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。報警電路如圖5所示。

圖4OV7620與FPGA連接時的工作連接電路 圖5報警電路圖

2.6 電源電路

原理框圖中，需要一個給FPGA提供能量的電源，需要3.3V、5V工作電壓，在實(shí)際電路中，將工頻交流電通過變壓器、整流電路和穩(wěn)壓電路組成，再向FPGA芯片EP1C12Q240C8N及其他電路供電源，為此利用一個7805三端5V穩(wěn)壓管、一個7812三端12V穩(wěn)壓管和一個AMS1085CT三端3.3V穩(wěn)壓管為電路主要組成部分[2]。

2.7 按鍵與顯示

按鍵是酒精測試儀外接的輸入控制設(shè)備，通過按鍵操作來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。顯示器采用了LCD1602，該液晶顯示器控制簡單，操作方便，技術(shù)成熟，而且可視面積大等。

3 軟件電路研究與設(shè)計

本設(shè)計軟件部分采用模塊化設(shè)計思想，通QuartusⅡ9.0軟件的操作控制平臺，利用VHDL語言編寫，主要由初始化子程序、LED顯示子程序、圖像采集子程序、A/D采樣子程序以及數(shù)據(jù)處理子程序等模塊組成，設(shè)計中靈活運(yùn)用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計，主程序流程圖如圖6所示。

[1]邵婷婷，董軍堂等.基于單片機(jī)ADuC842的酒精測試儀設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，(12).

[2]張海紅,許璐等. 單片機(jī)酒精測試儀[J].電子測試，2014，(24).

[3]宋艷麗.簡易智能電動車的設(shè)計[J]，電子元器件應(yīng)用，2012，(Z1).

Research and Design of Alcohol Testing Instrument Based on Data Storage

SONG Yan-li,SONG Wu

(Huanggang Polytechnic College, Huanggang, Hubei 438000)

In our country, DUI and drunken driving are the main cause of traffic accidents. Fast and efficient monitoring of alcohol concentration and recording monitoring data to ensure data authority is one of the effective means to curb DUI and drunken driving. Based on the traditional alcohol concentration monitoring, with the increase of image sensor and FPGA as the control core, the real-time monitoring of driver, the collection and the storage of the alcohol concentration data can be ensured.

alcohol sensor; image sensor; detector

2016-08-19

宋艷麗(1983-)，女，湖北當(dāng)陽人，黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院講師，碩士。研究方向：單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用。

R77

A

1008-8156(2016)04-0068-02

修回日期：2016-10-20