21基于STM32單片機的酒精傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要 如今酒駕已經(jīng)成了一個嚴重的社會問題，為了減少酒后駕駛現(xiàn)象，國家發(fā)布了一系列法律法規(guī)，加大對酒駕司機的懲罰力度。交警部門主要使用呼氣式酒精檢測儀檢測司機是否飲酒，本論文設(shè)計了一個基于無線傳輸?shù)木凭珯z測系統(tǒng)，通過單片機檢測酒精濃度，并可以通過藍牙實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。 系統(tǒng)選用STM32F03ZET6作為主控芯片，酒精傳感器選用MQ-3酒精傳感器，顯示屏選擇0.96寸OLED顯示屏，溫度傳感器選擇小巧的DS8B20，加熱片選擇聚酰亞胺加熱膜。整個系統(tǒng)的關(guān)鍵在于保證酒精傳感器測量的準確度，一方面，使用增量式PID算法，保證酒精傳感器的外界溫度恒定不變；一方面使用標準酒精檢測儀對傳感器測得的數(shù)據(jù)進行矯正。藍牙模塊保證單片機和手機可以通過藍牙收發(fā)數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)手機對單片機的控制，單片機可以上傳數(shù)據(jù)在手機端顯示。OLED顯示屏可以直觀的顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，告知系統(tǒng)當前狀態(tài)。 軟件部分使用CubeMX配置系統(tǒng)初始化、時鐘樹和各個外設(shè)的初始化，集成開發(fā)環(huán)境選擇Keil5，使用C語言編程，為各個模塊編寫了單獨的C文件和頭文件。整個系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)的采集和上傳，數(shù)據(jù)準確度滿足設(shè)計預期，實現(xiàn)了基本的酒精檢測功能。關(guān)鍵詞：酒精檢測；PID；HC-05；MQ-3目錄1. 引言 實物測試及結(jié)果分析 本章對實物進行測試，對基于無線傳輸?shù)木凭珯z測系統(tǒng)的整體效果進行測試。通過標準呼氣式酒精檢測儀進行誤差分析及矯正。PID溫度控制 為了得到準確的血液酒精濃度值，需要對傳感器預熱并使之穩(wěn)定在設(shè)定的溫度下。通過多次調(diào)節(jié)PID中的kp、ki、kd參數(shù)，選擇kp=100，ki=0.5，kd=0作為最終的參數(shù)值。在該參數(shù)值下，測試了MQ-3傳感器的從室溫加熱到35℃、40℃、45℃、50℃、55℃各溫度下隨時間的溫度變化情況，其中40℃時PID溫度穩(wěn)定性最好，在Excel中繪制了設(shè)定值為40℃時的溫度變化曲線圖，如圖6.1所示： 圖6.1設(shè)定值40℃下PID控制溫度變化曲線分析溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，加熱時約以0.5℃/s的速度加熱，在第22秒左右加熱到設(shè)定值。軟件設(shè)定的DS18B20的精度是0.0625℃，在加熱時間為40s左右時溫度基本溫度在設(shè)定值40℃，且上下偏差僅為一個精度值，即溫度變化保持在39.93℃-40.06℃之間。 PID溫度控制表現(xiàn)優(yōu)秀，實際溫度與設(shè)定溫度的偏差很小，幾乎相同；加熱速度收到加熱片功率的限制，即使輸出占空比為100%的PWM波（全速加熱），仍以0.5℃/s的速度加熱，該PID溫控系統(tǒng)設(shè)計基本符合系統(tǒng)的設(shè)計預期。血液酒精濃度 MQ-3酒精傳感器測得的數(shù)據(jù)受到多種外界因素的影響，如外界溫度、預熱時間、檢測距離、兩次檢測時間的間隔等。為了得到準確的參數(shù)并與人體內(nèi)血液酒精含量建立相關(guān)曲線，需要讓傳感器工作在標準環(huán)境下。這里的人體內(nèi)血液酒精含量是通過一個標準的呼氣式酒精檢測儀（AlcoStarG2）測得的。下面將分析各個誤差對傳感器檢測的數(shù)據(jù)影響，以設(shè)定該傳感器的標準工作環(huán)境。外界溫度 MQ-3酒精傳感器是半導體型傳感器，外界溫度會對半導體的電導率產(chǎn)生影響，從而影響酒精傳感器的準確性。為了獲得外界溫度對傳感器的測得數(shù)據(jù)的影響情況，使用PID溫控讓MQ-3工作在不同的溫度下，檢測傳感器輸出電壓百分比在酒精濃度為0mg/100ml、20mg/100ml、40mg/100ml、60mg/100ml、80mg/100ml、100mg/100ml時的變化情況。在Excel中繪制了酒精濃度為0mg/100ml時的傳感器輸出電壓百分比的變化曲線圖，如圖6.2所示：圖6.2酒精濃度為0mg/100ml下傳感器輸出電壓百分比隨溫度變化曲線 分析變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，外接溫度的增大會導致傳感器輸出電壓百分比增大，溫度變化函數(shù)為y=0.0019x^3-0.2005x^2+7.5118x-83.155。為了得到準確的數(shù)據(jù)，設(shè)定外界溫度為40℃時作為標準測試環(huán)境溫度。預熱時間 MQ-3酒精傳感器使用手冊規(guī)定了使用傳感器必須對其進行預熱，預熱時間越長傳感器測得是數(shù)據(jù)越準確。為了獲得預熱時間對傳感器的測得數(shù)據(jù)的影響情況讓MQ-3傳感器在不同的預熱時間下，檢測傳感器輸出電壓百分比在酒精濃度為0mg/100ml、20mg/100ml、40mg/100ml、60mg/100ml、80mg/100ml、100mg/100ml時的變化情況。在Excel中繪制了酒精濃度為0mg/100ml時的傳感器輸出電壓百分比的變化曲線圖，如圖6.3所示： 圖6.3酒精濃度為0mg/100ml下傳感器輸出電壓百分比隨預熱時間變化曲線 分析變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著預熱時間的增加，傳感器輸出電壓百分比逐漸減小并趨于16%，預熱時間變化函數(shù)為y=-0.0009x^3+0.0766x^2-2.0849x+35.499。為了得到準確的數(shù)據(jù)，每次開始測試數(shù)據(jù)前，先對MQ-3傳感器預熱30分鐘，作為標準測試環(huán)境的前提。檢測距離 本系統(tǒng)設(shè)計的MQ-3酒精傳感器沒有增加吹氣檢測電路，在檢測數(shù)據(jù)時需要嘴對著傳感器進行5s吹氣并求平均值，可想而知嘴對著傳感器吹氣的距離必定會影響數(shù)據(jù)準確性。為了獲得吹氣距離對傳感器的測得數(shù)據(jù)的影響情況讓MQ-3傳感器在不同的檢測距離下，檢測傳感器輸出電壓百分比在酒精濃度為0mg/100ml、20mg/100ml、40mg/100ml、60mg/100ml、80mg/100ml、100mg/100ml時的變化情況。在Excel中繪制了酒精濃度為100mg/100ml時的傳感器輸出電壓百分比的變化曲線圖，如圖6.4所示：圖6.4酒精濃度為100mg/100ml下傳感器輸出電壓百分比隨檢測距離變化曲線 分析變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著檢測距離的增加，傳感器輸出電壓百分比近似以二次函數(shù)的變化下降，檢測距離變化函數(shù)為y=1.9571x^2-21.243x+97。通過和標準的呼氣式酒精傳感器的數(shù)據(jù)對比，在檢測距離為1.5cm左右時，MQ-3傳感器的輸出線性特性最好。我們設(shè)定檢測距離為1.5cm作為標準測試環(huán)境檢測距離。準確度測試 在標準測試環(huán)境下（傳感器溫度40℃、預熱30分鐘、檢測距離1.5cm），對8個人進行了呼氣式酒精檢測。每個人在測試前均飲用330ml的雪花啤酒，并在喝完5min后每隔1分鐘測一次，一共測8組。測試時同時記錄標準呼氣式酒精檢測儀和待校準的酒精傳感器的數(shù)據(jù)，以便接下來的校準。測試結(jié)果如下表6.1所示：組號類型數(shù)據(jù)1標準（mg/100mL）01424394469106224實際（%）17.929.127.327.446.442.853652標準（mg/101mL）0152127374872113實際（%）17.925.729.530.131.441.85261.13標準（mg/102mL）0172531486277102實際（%）19.327.329.332.237.943.555684標準（mg/103mL）013303342496199實際（%）17.2232531.241.148.359.363.75標準（mg/104mL）0192637496188144實際（%）17.718.324.434.539.744.362.1646標準（mg/105mL）011232633414762實際（%）17.117.32223.327.234.43741.27標準（mg/106mL）010122031435257實際（%）17.217.117.918.825.331.243.951.18標準（mg/107mL）0152632395175121實際（%）17.219.223.827.231.732.840.263.2表6.1測試結(jié)果通過整合各組數(shù)據(jù)，去除錯誤數(shù)據(jù)，求平均值最終獲得酒精氣體濃度和人體血液內(nèi)酒精濃度的相關(guān)表格，繪制X-Y散點圖，使用3階多項式繪制趨勢線，如圖6.5所示。圖6.5校準曲線通過Excel給出的多項式函數(shù)，在代碼中對輸出電壓百分比進行矯正。使用矯正后的代碼輸出的數(shù)據(jù)，與標準呼氣式酒精檢測儀的數(shù)據(jù)比較，測試結(jié)果見表6.2所示。標準酒精檢測儀（mg/100mL）校準后酒精檢測儀（mg/100mL）準確度00100%201890%404587.5%604880%808297.5%1009999% 表6.2準確度測試表總體準確度達到92.3%，基本符合預期設(shè)計指標，分析誤差產(chǎn)生的原因是：（1）本系統(tǒng)設(shè)計的酒精檢測儀它的輸出特性不是優(yōu)良的線性輸出，在輸出電壓百分比為40%-60%之間變化率較大，而其他部分變化率較小。矯正函數(shù)無法完美的校準在0-100mg/100mL的酒精濃度下的所有數(shù)據(jù)，使用3階多項式矯正相關(guān)曲線時對輸出電壓值在40%-60%之間的數(shù)據(jù)矯準存在偏差，導致校準后的數(shù)據(jù)存在誤差。（2）實際測試的過程中難免出現(xiàn)應(yīng)測試環(huán)境的改變而造成的誤差。 由于能力的限制和經(jīng)驗的匱乏，該酒精檢測系統(tǒng)僅僅實現(xiàn)了最基本的軟硬件系統(tǒng)框架，使用了最基本的算法和優(yōu)化矯正函數(shù)，和真正達到市場標準的酒精傳感器相比還有很大一段差距。結(jié)論 本論文實現(xiàn)了基于無線傳輸?shù)木凭珯z測系統(tǒng)，該酒精檢測系統(tǒng)可以通過增量式PID算法為酒精傳感器實現(xiàn)恒定溫度控制，保證傳感器精度；具有出現(xiàn)傳輸功能，以數(shù)據(jù)包的形式上傳下發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)手機和單片機的通信；在測試階段通過大量測試數(shù)據(jù)建立矯正曲線，矯正傳感器輸出的數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)精度；基本達到了最初任務(wù)書的內(nèi)容。 在總體設(shè)計中，設(shè)計了總體框圖，確定了設(shè)計方向；完成了對器件的選型，分析了不同類型的酒精傳感器、不同的無線傳輸方式以及不同的顯示屏；確定系統(tǒng)要完成的指標。之后完成系統(tǒng)硬件的搭建，通過查閱芯片使用手冊、模塊使用手冊等數(shù)據(jù)手冊，了解了各個模塊的電氣特性和驅(qū)動方式。為每一個模塊配置了引腳和驅(qū)動方式。在軟件部分，首先通過CubeMX這個軟件，配置系統(tǒng)基本參數(shù)，如：系統(tǒng)時鐘、