酒廠用酒精濃度測量儀，酒精測試儀的原理

呼氣式酒精檢測儀采用催化燃燒傳感器，酒精蒸汽在其表面形成“無焰燃燒”產(chǎn)生高溫，使通過其的鉑絲電阻發(fā)生變化，測量電阻變化，從而得出數(shù)據(jù)。 00:00 / 03:1070% 快捷鍵說明 空格: 播放 / 暫停Esc: 退出全屏 ↑: 音量提高10% ↓: 音量降低10% →: 單次快進5秒 ←: 單次快退5秒按住此處可拖拽 不再出現(xiàn) 可在播放器設(shè)置中重新打開小窗播放快捷鍵說明

可以用以上三種方式進行測量：1、酒表，建國后統(tǒng)一使用“酒表”來測定白酒中的酒精含量，方法是取一只玻璃杯，杯里裝500ml或1000ml待測度的白酒，把酒精計和溫度計放進量杯中，三五分鐘穩(wěn)定后讀取度數(shù)，查閱溫度換算表即可。此法為現(xiàn)代通用的方法。2、看酒花，以前沒有酒表，將酒對上一定數(shù)量的水，取一勺一盆，用勺舀慢慢由高處向低處倒入盆內(nèi)，觀察落在接酒盆內(nèi)的酒“花”大小、均勻程度、保持時間的長短，來確定酒精成分的含量。這種方法的準確率可達90%。3、用火燒。將白酒斟在盅內(nèi)，點火燃燒，火熄后，看剩在盅內(nèi)的水分多少，根據(jù)水分的數(shù)量確定該酒酒精的含量。這種方法，因常受外界條件的影響較大。相應(yīng)的測量儀器網(wǎng)上商城可以買到。知識拓展：白酒（外文名：Liquor and Spirits ）：以糧谷為主要原料，以大曲、小曲或麩曲及酒母等為糖化發(fā)酵劑，經(jīng)蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾而制成的蒸餾酒。又稱燒酒、老白干、燒刀子等。酒質(zhì)無色（或微黃）透明，氣味芳香純正，入口綿甜爽凈，酒精含量較高，經(jīng)貯存老熟后，具有以酯類為主體的復(fù)合香味。以曲類、酒母為糖化發(fā)酵劑，利用淀粉質(zhì)（糖質(zhì)）原料，經(jīng)蒸煮、糖化、發(fā)酵、蒸餾、陳釀和勾兌而釀制而成的各類酒。酒精度：酒的度數(shù)表示酒中含乙醇的體積百分比，通常是以20℃時的體積比表示的，如50度的酒，表示在100毫升的酒中，含有乙醇50毫升(20℃)，酒精度一般是以容量來計算，故在酒精濃度后，會加上“Vol. ”以示與重量計算之區(qū)分。參考資料：百度百科-白酒，百度百科-酒精度

在食品工業(yè)、釀酒行業(yè)、石化笑稿芹和工礦企業(yè)、環(huán)境檢測、公安交通管理、社會公用事業(yè)等一些國民經(jīng)濟生產(chǎn)和人們工作生活的領(lǐng)域和場合中，常常需要檢測特定環(huán)境中酒精氣體的濃度，以確保工廠企業(yè)環(huán)境安全和人民生命財產(chǎn)安全[1-4]。如監(jiān)控酒精生產(chǎn)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(fā)生；監(jiān)測工礦企業(yè)場地的酒精濃度，能避免工作人員出現(xiàn)酒精中毒等惡性事故；檢測司機體內(nèi)酒精含量，可以防止駕駛?cè)藛T酒后駕車，減少惡性交通事故的碰畢發(fā)生。因此，研制酒精氣體濃度檢測儀具有十分廣闊的現(xiàn)實和潛在的市場需求，并具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的酒精氣體檢測儀因傳感器性能、電路設(shè)計、數(shù)據(jù)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(fù)雜、無法實時保存和調(diào)看數(shù)據(jù)等突出問題[3-4]。鑒于此，筆者設(shè)計和研制了一種無線智能酒精濃度探測儀，彌補了傳統(tǒng)酒精檢測儀器的缺點和不足。 1 系統(tǒng)總體方案 該酒精濃度探測儀由發(fā)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(fā)送端主要包括酒精濃度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換電路、STC90C52RC單片機、濃度閾值設(shè)置與聲音報警電路、語音播報電路、LCD顯示電路和無線收發(fā)電路六部分；接收端由無線收發(fā)電路、STC90C52RC單片機、數(shù)據(jù)接口通信電路和上位計算機組成。 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 2.1 傳感器電路與A/D轉(zhuǎn)換電路 TGS2620為日本費加羅(FIGARO)公司生產(chǎn)的一款可以探測氣體中酒精濃度的半導(dǎo)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，RH為加熱器電阻，室溫下時為83±8 Ω；RS為傳感器電阻，其阻敬乎值和還原性氣體濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為： 通過檢測VRL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(shù)據(jù)的影響。ICL7660是MAXIM公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器，作用是將+5 V電源變換成-5 V電源為OP07供電。其中，CC2采用漏電小、介質(zhì)損耗低的10 μF鉭電容，以提高電源轉(zhuǎn)換效率。TLC1549是TI公司生產(chǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shù)量和簡化電路結(jié)構(gòu)，采用間接控制(4位數(shù)據(jù)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(zhuǎn)為4位數(shù)據(jù)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(diào)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(shè)置和聲音報警電路如圖4下部分所示。當設(shè)置鍵S1按下時，進入閾值設(shè)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(shè)置好后寫入STC90C52RC單片機片內(nèi)5 KB EEPROM的第一扇區(qū)2000H和2001H地址中，使系統(tǒng)重啟不必重新設(shè)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(qū)動蜂鳴器發(fā)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(nèi)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(shè)定ISD2560片內(nèi)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(tǒng)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(guān)、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(jīng)填滿或者信息存儲是否溢出。由于錄音時在每個信息段結(jié)尾處自動插入標志，當放音遇到該標志時產(chǎn)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(xù)。 2.4 無線收發(fā)電路 系統(tǒng)采用NORDIC公司生產(chǎn)的工作于2.4~2.483 5 GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片nRF24L01完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，nRF24L01的最高傳輸速率為2 Mb/s，電路如圖6所示。穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3 V將5 V輸入電壓轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)輸入線、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)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(wǎng)絡(luò)匹配電路獲得單端50 Ω的阻抗輸出。網(wǎng)絡(luò)匹配電路在發(fā)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(nèi)功率放大器提供電源。 2.5 數(shù)據(jù)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(shè)備，支持常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，支持IRDA規(guī)范的SIR紅外通信，提供RS23RS48RS422接口等功能。CH340T內(nèi)置有獨立的收發(fā)緩沖區(qū)，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(fā)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(dǎo)致不需要供電工作的另一方芯片繼續(xù)工作。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1 下位機軟件設(shè)計 下位機的程序開發(fā)和調(diào)試是在Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境下進行的，包括發(fā)送端和接收端的軟件設(shè)計。 3.1.1 發(fā)送端軟件設(shè)計 發(fā)送端軟件流程如圖8所示。單片機上電后進行系統(tǒng)初始化，完成單片機內(nèi)部系統(tǒng)變量的初始化以及TLC154DM-16ISD2560和nRF24L01等外部設(shè)備的初始設(shè)置；然后延時大約5 min，預(yù)熱傳感器TGS2620，保證傳感器工作正常；程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入監(jiān)控狀態(tài)。若報警閾值設(shè)置鍵按下，進入報警限設(shè)置模式；若錄音鍵按下，進入錄音模式；然后啟動A/D轉(zhuǎn)換獲取采樣數(shù)據(jù)，作濾波處理、標度變換和系統(tǒng)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(jié)果是“大于”或“等于”，啟動蜂鳴器發(fā)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(jù)酒精濃度值查找ISD2560中對應(yīng)語音信息的存儲地址開始放音；放音結(jié)束后，該值由nRF24L01發(fā)送程序發(fā)送到接收端；待發(fā)送完成后，采集、顯示和發(fā)送新一輪的酒精濃度數(shù)據(jù)。 發(fā)送端軟件應(yīng)用了防脈沖干擾平均濾波法[9]對A/D采樣數(shù)據(jù)作預(yù)處理。其原理是：連續(xù)采樣K次，然后對這K個采樣數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的算術(shù)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(shù)平均濾波法的優(yōu)點，既可去掉脈動性質(zhì)的干擾，又可消除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾引起的采樣值偏差。為加快計算速度，設(shè)計數(shù)字濾波器時K=10。 為了提高系統(tǒng)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(VRLi，Ci)(i=0，1，…，M)，其中：VRLi和Ci分別為不同樣點時傳感器輸出電壓值和對應(yīng)濃度值；(2)計算相鄰樣點間的擬合直線斜率ki=(Ci+1-Ci)/(VRLi+1-VRLi)(i=0，1，…，M-1)；(3)將M組坐標數(shù)據(jù)(VRLi，Ci)和對應(yīng)斜率ki存儲于單片機片內(nèi)EEPROM的第二扇區(qū)(地址為2200H~23FFH)中；(4)每采集到一個電壓值VRL即查詢EEPROM表，找出VRL所在區(qū)間(VRLi，Ci)~(VRLi+1，Ci+1)，取出該區(qū)間(VRLi，Ci)和ki數(shù)據(jù)，用線性插值公式C=Ci+ki(VRL-VRLi)計算出當前酒精濃度值C。 將采集到的N個樣本數(shù)據(jù)(xi，yi)代入式(5)中即得到系數(shù)a、b的值，并存入單片機的內(nèi)存單元中。系統(tǒng)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(tǒng)誤差的目的。 3.1.2 接收端軟件設(shè)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(shè)置nRF24L01和串口，然后進入監(jiān)控場景。當nRF24L01接收到一幀完整的酒精濃度數(shù)據(jù)后，立即通過串口發(fā)送到上位機。接收端單片機與PC之間數(shù)據(jù)交互采用異步通信模式。獨立波特率，串口協(xié)議設(shè)置為：波特率9 600 b/s，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位，無校驗位。 3.2 上位機軟件設(shè)計 上位機用戶界面采用通用的基于對象的程序設(shè)計語言Microsoft Visual Basic 6.0開發(fā)，實現(xiàn)酒精濃度數(shù)據(jù)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(yīng)的編程操作，即可輕松地實現(xiàn)串行通信。串口通信協(xié)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(tǒng)測試 為了檢驗本系統(tǒng)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(jié)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(zhì)量。由測量結(jié)果可以看出，測試數(shù)據(jù)覆蓋傳感器的量程，測試最大相對誤差小于±2%，優(yōu)于同類設(shè)計產(chǎn)品[3-5]。 為了獲得本儀器發(fā)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(qū)間)測試實驗，結(jié)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?？梢?，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(shù)[12]。 5 主要技術(shù)指標 本儀器主要技術(shù)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(huán)境溫度：-40 ℃~+70 ℃；(7)工作環(huán)境相對濕度：0~85％RH。 6 結(jié)束語 本文設(shè)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(xiàn)已投入到成都市某小型釀酒廠酒池的實際生產(chǎn)中?，F(xiàn)場工作情況表明：系統(tǒng)運行正常，工作可靠；系統(tǒng)具有氣體選擇性和靈敏度高、穩(wěn)定性好、智能化程度高、通信距離遠、功耗低、抗工業(yè)干擾能力強、性價比優(yōu)異等優(yōu)點。該儀器可以應(yīng)用于食品加工行業(yè)、工礦企業(yè)、石油和化學(xué)工業(yè)、環(huán)境檢測與保護、社會公用事業(yè)、高空作業(yè)人員、公安交通管理（如酒后駕車、交通警察執(zhí)法）等需要現(xiàn)場檢測或無線遙測酒精氣體濃度的場合中，市場應(yīng)用前景廣闊、推廣價值較高。 參考文獻 [1] 李海濤.基于QNX的遠程車載酒駕智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(8)：136-139. 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