浅谈白酒酿造中酒精浓度的检测

浅谈白酒酿造中酒精浓度的检测
发表时间：2012-07-17T15:00:57.103Z 来源：《赤子》2012年第10期供稿作者：李绍宽[导读] 本文阐述了控制仪硬件组成及软件设计。

李绍宽（牡丹江白酒（厂）有限公司，黑龙江牡丹江 157013）
摘要：本文阐述了控制仪硬件组成及软件设计。

关键词：单片机；A/D转换；酒精传感器
1 硬件组成
本控制仪采用了16位超低功耗、高性能SPCE500A 单片机系列SPCE061A。

它在活动模式时仅350μA，口线输入漏电流最大50nA；它的高度集成不但大大降低了故障率，而且在成本、体积、稳定性方面都有明显优势。

酒精探测控制仪系统中MSP430FG4619用来判断气体中的酒精含量，控制整个控制仪的工作。

系统主控电路包含晶振电路、复位电路和JTAG接口电路等。

酒精检测电路由高精度酒精传感器、信号调理放大电路、滤波电路和单片机内置12位ADC等组成。

主要功能是检测酒精含量，判断其是否超标。

酒精传感器采用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，它对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性，快速的响应恢复，长期的寿命和可靠的稳定性，探测范围为10~1000ppm，尤其适用于酒后驾驶人员的检测。

信号调理放大电路前级采用美信公司生产的高精密运放MAX4238来实现，它具有1pA的偏置电流，2μV的偏置电压，超低温漂，良好的性能。

后级放大采用常用的OP07C运算放大来实现，滤波芯片采用美信公司生产的开关电容型引脚可编程集成滤波器MAX266来实现，具有比普通RC滤波电路更优异的性能。

A/D转换采用MSP430FG4619IPZ自带的12位、最大速率为200KSPS的ADC，它的电压基准可以选择为内部基准或者外部基准，节省了外部ADC芯片，大大简化了硬件的设计，同时可以满足精度的要求，因此非常适合于本系统的设计。

单片机是实现各种控制策略和算法的载体。

由台湾凌阳公司生产的SPCE系列单片机，因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，非常适用于便携式仪表和就地式显示控制仪表，在国内越来越受到用户的重视和广泛的应用。

SPCE061A单片机功能强大，其片内含有八路十位A/D 转换器和两路D/A转换器，该波形发生器运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、斜波等幅值可调的信号。

信号频率，可通过键盘输入，并显示。

与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，人机界面友好，成本低，非常适合于物理实验室教学与实验使用。

2 SPCE061A单片机概述
SPCE061A是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。

目前有两种封装形式：84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。

主要性能如下：（1）16位m'nSP微处理器；（2）工作电压：VDD为2.4~3.6V（cpu），VDDH为2.4~5.5V（I/O）；（3）CPU时钟：32768~49.152MHz；（4）内置2K字SRAM、内置32K FLASH；（5）可编程音频处理；（6）32位通用可编程输入/输出端口；（7）32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；（8）2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；（9）2个10位DAC（数-模转换）输出通道；（10）7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道语音模-数转换器；（11）声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制（AGC）功能；（12）系统处于备用状态下（时钟处于停止状态）耗电小于2mA@3.6V；（13）具备触键唤醒的功能；（14）14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；（15）使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K 位/秒），能容纳210秒的语音数据；（16）具备异步、同步串行设备接口；（17）具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；（18）内置在线仿真电路接口ICE（In-Circuit Emulator）；（19）具有保密能力；（20）具有WatchDog功能（由具体型号决定）。

3 软件设计
软件所要实现的功能是将通过精密放大器的传感器信号进行A/D转换，并把转换后的数字量进行一定处理，转化为酒精浓度信号PPM 或mg/L，最后送液晶显示器显示。

主要功能包括：（1）开机自检；（2）电池检测，电源不足时给出显示。

（3）节电设计，4分钟内检测不到信号时，自动关机；（4）酒精浓度单位可互换，PPM与mg/L互换；（5）音响提示，浓度高时频率高，浓度低时频率低。

且音响可随意关闭或打开；（6）可存储十次测量结果（存储次数的多少视RAM容量而定）；（7）结果可重复显示或恢复显示。

在程序的编写过程中，考虑到可移植性和以后功能的升级，以及调试的方便性，采用模块化设计。

也就是说，将程序的某一部分换掉以后，可以作为相应的测试程序使用。

比如，将程序中酒精的PPM和mg/L浓度表换成电压与压力或电压与湿度的转换表，则可以实现压力测试或温度测试。

另外，除显示子程序外，其他的浓度转换子程序、重复显示子程序、恢复显示子程序、开关声响子程序等可以任意拿掉而不影响整个程序的正常运行。

下面给出程序中用到的各寄存器的定义及主程序和各子程序的流程图。

******************
1IST =P16C924
#INCLUDE <P16C924.INC>
****VARIABLE DEFINITIONS
GO EQU 0X02
LCDEN EQU 0X07
COUNT1L EQU 0X70；LOW BIT REGISTER1 OF DALAY TIME
COUNT1H EQU 0X71；HIGH BIT--------------------
COUNT2L EQU 0X72；LOW BIT REGISTER2 OF DALAY TIME
COUNT2H EQU 0X73；HIGH BIT-------------------
REMRCO EQU 0X74；REGISTER OF REPEAT MEASURE COUNT CONCEF EQU 0X75；REGISTER OF CONCENTRATION FLAG
INDEXL EQU 0X76；INDEX OF PPM TABLE OR mg/L TABLE
INDEXH EQU 0X77；UPPER BIT OF INDEX
SEGMENT EQU 0X78；REGISTER OF LCD CODE TABLE （7 SEGMENT）
MPMTMP EQU 0X79；TEMPORAPY REGISTER OF PPM OR mg/L
REMRAD EQU 0X7A；FIST ADDRESS OF OF REPEAT MEASURE TABLE
TIME1 EQU 0X7B；COUNTER1 OF TEST WAITING
TIME2 EQU 0X7C；COUNTER2 OF TEST WAITING
ADTEPM1 EQU 0X7D；REGISTER OF ADRES TEMPERRARY
RMCTMP EQU 0X7F；REGISTER OF REMRCO TEMPORARY
URDPPNT EQU 0X21；URD OF RDP POINT
URDPFLG EQU 0X22；URD OR RDP FLAG
PORTB 7 6 5 4 3 2 1 0
SND URD RDP CNC LBD PRM CSP LB0
SND：SOUND LBO：LOW BATTERY OUT
URD：RESUME DISPLAY RDP：REPEAT DISPLAY CNC：CONCENTRATION CONVERT LBD：LOW BATTERY DETECT PRM：PERMIT MEASURE CSP：CLOSE POWER 主程序除完成基本的初始化设置外，还实现电池电力检测和对各子程序的调用，总之，依据上述流程图所编程序在我们研制的酒检仪产品中运行良好，完成达到了仪器功能所需要求，可靠性好，故障率低，因此，程序的开发是成功的。

结语：该测频系统经过软硬件设计，经过实验仿真分析及验证，各项功能达到了预定的设计指标。

在开发过程中，综合运用了Quartus II、wav6000、Protel DXP等开发工具，使用了汇编语言，在论文写作及作图时还用到了Word、Visio、画图等软件。

该测频系统的特点是克服了传统的测频法或测周法的不足，能在频率范围变化较大时，都有比较高的测量精度。