搜索
1第一章绪论近年来，我国越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频繁发生。为此，我国将酒驾列入刑法范围内，所以需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。目前酒精测试仪主要应用于交通运输业，地下开采等，大家最常看到的就是交通警察手中拿的酒精测试仪。气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，即：燃料电池型、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。但由于价格和使用方便的原因，目前常用的只有燃料电池型和半导体型两种。燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一个分支。与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点。但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料成本高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。MQ3酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或者不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成：其一为加热回路；其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。传感器表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL出面获得的。二者之间的关系表述为：RS/RL=(VC－VRL)/VRL，其中VC为回路电压，10V。负载电阻RL可调为0.5～200K，加热电压Uh为5V。上述这些参数使得传感器输出电压为0～5V2LCD键盘声音报警第二章设计方案及步骤2.1总设计方案2.2传感器的选择本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。MQ-3气体传感器的特点对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性快速的响应恢复特性长期的寿命和可靠的稳定性简单的驱动回路于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑酒精传感器模数转换器单片机3料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。负载电阻RL可调为0．5-200K。加热电压Uh为5v。为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟。图2.1MQ3结构图气敏传感器的外观和相应的结构形式如图2.2所示，它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。图2.2中①、②、③分别表示MQ-3乙醇传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。其中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的2个极，图③中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。燃料电池利用化学反应直接把进入其内部的可燃气体转变成电能输出，在其两个电极上产生电压输出，燃料电池酒精传感器是燃料电池的一个分支，图1为其电化学的原理图。该燃料电池为质子交换膜燃料电池，在低温(20℃一100℃)的使用条件下，电解质一般为固体聚合物。一般使用杜邦公司的Nafion膜作为4电解质，因为它具有良好的化学耐受性和良好的机械性，可制成非常薄的膜，能保证H+的自由移动，且具有酸性，满足该反应本质为酸性反应的要求。电极与催化剂合成在一起，它们与电解质采用整体膜／电极法制成膜电极集合体MEA。电极的催化材料是铂。这种催化剂仅能使进入燃烧室内的酒精气体充分燃烧转变为电能输出，对其它非酒精气体不产生任何反应，因而它们对输出没有任何影响，抗干扰性高。图2.2MQ3结构和外形图2.3燃料电池酒精传感器电化学原理图在美国，呼气酒精含量检测分为“证据性呼气酒精测试”和“初步呼气酒精测试”２类。前者又称为“确认性测试”，后者又称为“初试性测试”。前者的测试结果可以作为法庭证据，而后者的测试结果法庭不予承认。美国国家交通安全管理局负责对各种手持型呼气酒精测试仪进行测试，分别列出符合以上２种测试要求的设备的认可清单。在证据性呼气酒精测试榜上有名的酒精测试仪才能用于证据性测试，而初步呼气酒精测试名单上的测试仪只能用于一般性测试。在我国5市场上见到过的美国路霆四号、英国Ｌｉｏｎ公司的４００型、德国德尔格公司的７４１０型等燃料电池酒精测试仪都在证据性呼气酒精测试名单中，而半导体型酒精测试仪至今还没有在证据性呼气酒精测试中出现过。网上资料显示，韩国ＨＤＴＣ公司生产的ＡｌｃｏＨａｗｋ半导体酒精测试仪已经被ＮＨＴＳＡ认可作为初步呼气酒精测试的设备，当然还是不能用于证据性呼气酒精测试。ＡｌｃｏＨａｗｋ是ＨＤＴＣ公司生产的半导体酒精测试仪系列中的最高档产品。近两年在我国比较流行的ＺＪ－２００１是ＨＤＴＣ公司半导体酒精测试仪系列中的另一个产品，只在中国大陆销售。目前呼出气体中酒精含量检测一般采用酒精传感器，国外使用燃料电池型较多，精度高但价格昂贵，国内普遍采用半导体型酒精传感器。根据我国公安部标准“呼出气体酒精含量探测器”的要求，酒精探测器对2mg/L正己烷的输出值必须小于0.4mg/L酒精输出值，目前国内市场上半导体型传感器一般无法达到这一要求。下面介绍了一种新型的金属氧化物半导体型酒精传感器，该传感器对正己烷、汽油等干扰性气氛不敏感，对低浓度酒精的灵敏度高传感器的制备是以纯度为99.99%的金属锡为原料，与氯气反应后制成四氯化锡水溶液，加入高分子分散剂，用GR级氨水作沉淀剂，充分洗涤沉淀物，直到用0.1mol的硝酸银溶液检验不到氯离子为止，再经低温处理、干燥、300摄氏度到800摄氏度烧结，制得二氧化锡超细粉体（经XRD半峰宽法测定已烧结的粉体颗粒直径为25.3mm）。粉体中掺入贵金属化合物作催化剂和其它多种添加剂，经处理，制备出气敏浆料。元件采用旁热式的管状结构，老化7-10天后测试为了规范警用呼气酒精测试仪的性能，2001年我国公安部制定了国家公共安全行业标准“呼出气体酒精含量探测器GA307-2001”。该标准中对呼气酒精测试仪的各方面性能作了定量规定，其中一些重要性能如示值误差、重复性、抗干扰能力、吹气压力和吹气连续性监视等指标都直接影响检测精度。该文就此略加分析如下：示值误差和重复性是直接影响检测精度的指标，其中示值误差要求在整个工作范围（温度从0℃至40℃，相对湿度从20%RH至90%RH）都要满足重复性是反映仪器测量值稳定性的指标，比较容易理解。该文对市场上比较流行的几种酒精测试仪按照GA307-2001规定的测试条件作了示值误差和重复性检测，结果是部分半导体型的酒精测试仪达不到要求，而燃料电池型的都能够满足要求，并且还有比较大的宽余量。所谓抗干扰能力实际上是仪器对其它气体敏感度的大小。理想的酒精测试仪应该只对酒精有反应，而对其它气体不应该有任何反应。半导体传感器可以利用控制工作温度来使得它对于酒精具有最高的敏感度。但即使这样，它对某些气体6的敏感度还在对酒精敏感度的20%-80%范围内（例如一种日本生产的型号为AF63的半导体酒精传感器对丙酮的响应与对酒精的响应相差无几）。GA307-2001标准对酒精测试仪抗干扰能力的要求是：在2.0mg/L浓度的正己烷气体作用下，测试仪的示值应不大于0.04mg/L。按照这个条件对市场上比较流行的几种酒精测试仪作了检测，结果所有的半导体酒精测试仪的测试结果都大于0.1mg/L，有些甚至达到0.25mg/L，远远超过GA307-2001标准的要求。而所有的燃料电池型酒精测试仪都没有超过0.02mg/L符合标准要求。实验表明，让一个抽烟者抽完一支烟后五分钟用各种酒精测试仪进行测试，结果半导体型酒精测试仪显示的读数是燃料电池型显示读数的8~10倍。这是因为燃料电池传感器可以精确地控制特种催化剂的成分，使得它对其它气体的敏感度远远小于对酒精的敏感度；而半导体酒精传感器就做不到这一点。可见，在抗干扰能力方面，半导体型酒精测试仪与燃料电池型有很大差别，而抗干扰能力差往往会直接造成难以容忍的测试误差，因为被测者很可能抽过烟不久，测试现场往往会有少量的汽油或正己烷等气体存在。2.3模数转换器在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，须经传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。实现模拟量转换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）。A/D转换器大致分有三类：一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近型A/D转换器，精度、速度、价格适中；三是∑-△A/D转换器。该设计中选用的是ADC0809属第二类，是8位A/D转换器。0809具有8路模拟信号输入端口，地址线（23-25脚）可决定那一路模拟信号进行A/D转换。22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚为测试控制，当输入一个2μs的高电平脉冲时，就开始A/D转换。7引脚为A/D转换结束标志，当A/D转换结束时，7脚输出高电平。9脚为A/D转换数据输出允许端，当OE脚为高电平时，A/D转换数据输出。10脚为0809的时钟输入端。逐次比较型A/D转换器在精度、速度、和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。芯片采用的是ADC0809，以下介绍ADC0809的引脚及功能。芯片如图2.4所示。7图2.4ADC0809的引脚ADC0809是一种逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。由图可见，ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。主要引脚功能如下：⑴IN0-IN7是8路模拟信号输入端。⑵D0-D7是8位数字量输入端。⑶A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换，A、B、C分别与3根地址线或数据线相连，3位编码对应8个通道地址端口。需要注意的是：ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能换1路，共用一个A/D转换器进行转换，各路之间的切换由软件改变C、A、B引脚上的代码来实现。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，图2.5为通道选择表。图2.5通道选择表⑷OE、START、CLK为控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。⑸VR(+)和VR(-)为参考电压输入端。ADC0809的结构框图如图2.6。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V电源供电。片内有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、8B、A引脚的功能来决定所选的通道。0809完成一次转换需100μs左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连接到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。ADC0809与单片机的连线图如图2.7：2.4单片机系统89C51单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术