【《基于STM32单片机的酒精传感器结构设计》15000字（论文）】

21基于STM32单片机的酒精传感器结构设计摘要 如今酒驾已经成了一个严重的社会问题，为了减少酒后驾驶现象，国家发布了一系列法律法规，加大对酒驾司机的惩罚力度。交警部门主要使用呼气式酒精检测仪检测司机是否饮酒，本论文设计了一个基于无线传输的酒精检测系统，通过单片机检测酒精浓度，并可以通过蓝牙实现无线数据传输。 系统选用STM32F03ZET6作为主控芯片，酒精传感器选用MQ-3酒精传感器，显示屏选择0.96寸OLED显示屏，温度传感器选择小巧的DS8B20，加热片选择聚酰亚胺加热膜。整个系统的关键在于保证酒精传感器测量的准确度，一方面，使用增量式PID算法，保证酒精传感器的外界温度恒定不变；一方面使用标准酒精检测仪对传感器测得的数据进行矫正。蓝牙模块保证单片机和手机可以通过蓝牙收发数据包，实现手机对单片机的控制，单片机可以上传数据在手机端显示。OLED显示屏可以直观的显示相关数据，告知系统当前状态。 软件部分使用CubeMX配置系统初始化、时钟树和各个外设的初始化，集成开发环境选择Keil5，使用C语言编程，为各个模块编写了单独的C文件和头文件。整个系统完成了数据的采集和上传，数据准确度满足设计预期，实现了基本的酒精检测功能。关键词：酒精检测；PID；HC-05；MQ-3目录1. 引言 实物测试及结果分析 本章对实物进行测试，对基于无线传输的酒精检测系统的整体效果进行测试。通过标准呼气式酒精检测仪进行误差分析及矫正。PID温度控制 为了得到准确的血液酒精浓度值，需要对传感器预热并使之稳定在设定的温度下。通过多次调节PID中的kp、ki、kd参数，选择kp=100，ki=0.5，kd=0作为最终的参数值。在该参数值下，测试了MQ-3传感器的从室温加热到35℃、40℃、45℃、50℃、55℃各温度下随时间的温度变化情况，其中40℃时PID温度稳定性最好，在Excel中绘制了设定值为40℃时的温度变化曲线图，如图6.1所示： 图6.1设定值40℃下PID控制温度变化曲线分析温度变化曲线可以发现，加热时约以0.5℃/s的速度加热，在第22秒左右加热到设定值。软件设定的DS18B20的精度是0.0625℃，在加热时间为40s左右时温度基本温度在设定值40℃，且上下偏差仅为一个精度值，即温度变化保持在39.93℃-40.06℃之间。 PID温度控制表现优秀，实际温度与设定温度的偏差很小，几乎相同；加热速度收到加热片功率的限制，即使输出占空比为100%的PWM波（全速加热），仍以0.5℃/s的速度加热，该PID温控系统设计基本符合系统的设计预期。血液酒精浓度 MQ-3酒精传感器测得的数据受到多种外界因素的影响，如外界温度、预热时间、检测距离、两次检测时间的间隔等。为了得到准确的参数并与人体内血液酒精含量建立相关曲线，需要让传感器工作在标准环境下。这里的人体内血液酒精含量是通过一个标准的呼气式酒精检测仪（AlcoStarG2）测得的。下面将分析各个误差对传感器检测的数据影响，以设定该传感器的标准工作环境。外界温度 MQ-3酒精传感器是半导体型传感器，外界温度会对半导体的电导率产生影响，从而影响酒精传感器的准确性。为了获得外界温度对传感器的测得数据的影响情况，使用PID温控让MQ-3工作在不同的温度下，检测传感器输出电压百分比在酒精浓度为0mg/100ml、20mg/100ml、40mg/100ml、60mg/100ml、80mg/100ml、100mg/100ml时的变化情况。在Excel中绘制了酒精浓度为0mg/100ml时的传感器输出电压百分比的变化曲线图，如图6.2所示：图6.2酒精浓度为0mg/100ml下传感器输出电压百分比随温度变化曲线 分析变化曲线可以发现，外接温度的增大会导致传感器输出电压百分比增大，温度变化函数为y=0.0019x^3-0.2005x^2+7.5118x-83.155。为了得到准确的数据，设定外界温度为40℃时作为标准测试环境温度。预热时间 MQ-3酒精传感器使用手册规定了使用传感器必须对其进行预热，预热时间越长传感器测得是数据越准确。为了获得预热时间对传感器的测得数据的影响情况让MQ-3传感器在不同的预热时间下，检测传感器输出电压百分比在酒精浓度为0mg/100ml、20mg/100ml、40mg/100ml、60mg/100ml、80mg/100ml、100mg/100ml时的变化情况。在Excel中绘制了酒精浓度为0mg/100ml时的传感器输出电压百分比的变化曲线图，如图6.3所示： 图6.3酒精浓度为0mg/100ml下传感器输出电压百分比随预热时间变化曲线 分析变化曲线可以发现，随着预热时间的增加，传感器输出电压百分比逐渐减小并趋于16%，预热时间变化函数为y=-0.0009x^3+0.0766x^2-2.0849x+35.499。为了得到准确的数据，每次开始测试数据前，先对MQ-3传感器预热30分钟，作为标准测试环境的前提。检测距离 本系统设计的MQ-3酒精传感器没有增加吹气检测电路，在检测数据时需要嘴对着传感器进行5s吹气并求平均值，可想而知嘴对着传感器吹气的距离必定会影响数据准确性。为了获得吹气距离对传感器的测得数据的影响情况让MQ-3传感器在不同的检测距离下，检测传感器输出电压百分比在酒精浓度为0mg/100ml、20mg/100ml、40mg/100ml、60mg/100ml、80mg/100ml、100mg/100ml时的变化情况。在Excel中绘制了酒精浓度为100mg/100ml时的传感器输出电压百分比的变化曲线图，如图6.4所示：图6.4酒精浓度为100mg/100ml下传感器输出电压百分比随检测距离变化曲线 分析变化曲线可以发现，随着检测距离的增加，传感器输出电压百分比近似以二次函数的变化下降，检测距离变化函数为y=1.9571x^2-21.243x+97。通过和标准的呼气式酒精传感器的数据对比，在检测距离为1.5cm左右时，MQ-3传感器的输出线性特性最好。我们设定检测距离为1.5cm作为标准测试环境检测距离。准确度测试 在标准测试环境下（传感器温度40℃、预热30分钟、检测距离1.5cm），对8个人进行了呼气式酒精检测。每个人在测试前均饮用330ml的雪花啤酒，并在喝完5min后每隔1分钟测一次，一共测8组。测试时同时记录标准呼气式酒精检测仪和待校准的酒精传感器的数据，以便接下来的校准。测试结果如下表6.1所示：组号类型数据1标准（mg/100mL）01424394469106224实际（%）17.929.127.327.446.442.853652标准（mg/101mL）0152127374872113实际（%）17.925.729.530.131.441.85261.13标准（mg/102mL）0172531486277102实际（%）19.327.329.332.237.943.555684标准（mg/103mL）013303342496199实际（%）17.2232531.241.148.359.363.75标准（mg/104mL）0192637496188144实际（%）17.718.324.434.539.744.362.1646标准（mg/105mL）011232633414762实际（%）17.117.32223.327.234.43741.27标准（mg/106mL）010122031435257实际（%）17.217.117.918.825.331.243.951.18标准（mg/107mL）0152632395175121实际（%）17.219.223.827.231.732.840.263.2表6.1测试结果通过整合各组数据，去除错误数据，求平均值最终获得酒精气体浓度和人体血液内酒精浓度的相关表格，绘制X-Y散点图，使用3阶多项式绘制趋势线，如图6.5所示。图6.5校准曲线通过Excel给出的多项式函数，在代码中对输出电压百分比进行矫正。使用矫正后的代码输出的数据，与标准呼气式酒精检测仪的数据比较，测试结果见表6.2所示。标准酒精检测仪（mg/100mL）校准后酒精检测仪（mg/100mL）准确度00100%201890%404587.5%604880%808297.5%1009999% 表6.2准确度测试表总体准确度达到92.3%，基本符合预期设计指标，分析误差产生的原因是：（1）本系统设计的酒精检测仪它的输出特性不是优良的线性输出，在输出电压百分比为40%-60%之间变化率较大，而其他部分变化率较小。矫正函数无法完美的校准在0-100mg/100mL的酒精浓度下的所有数据，使用3阶多项式矫正相关曲线时对输出电压值在40%-60%之间的数据矫准存在偏差，导致校准后的数据存在误差。（2）实际测试的过程中难免出现应测试环境的改变而造成的误差。 由于能力的限制和经验的匮乏，该酒精检测系统仅仅实现了最基本的软硬件系统框架，使用了最基本的算法和优化矫正函数，和真正达到市场标准的酒精传感器相比还有很大一段差距。结论 本论文实现了基于无线传输的酒精检测系统，该酒精检测系统可以通过增量式PID算法为酒精传感器实现恒定温度控制，保证传感器精度；具有出现传输功能，以数据包的形式上传下发数据，实现手机和单片机的通信；在测试阶段通过大量测试数据建立矫正曲线，矫正传感器输出的数据，确保系统精度；基本达到了最初任务书的内容。 在总体设计中，设计了总体框图，确定了设计方向；完成了对器件的选型，分析了不同类型的酒精传感器、不同的无线传输方式以及不同的显示屏；确定系统要完成的指标。之后完成系统硬件的搭建，通过查阅芯片使用手册、模块使用手册等数据手册，了解了各个模块的电气特性和驱动方式。为每一个模块配置了引脚和驱动方式。在软件部分，首先通过CubeMX这个软件，配置系统基本参数，如：系统时钟、