智能仪器论文 2.doc

智能酒精测试仪的简述及发展摘要：随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素，资料显示,我国近几年发生的重大交通事故中,有将近三分之一是由酒后驾车引起的。由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高,为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，酒精浓度逐渐得到广泛应用。此外，酒精测试仪也可应用于食品加工、酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。如今，气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。关键字：酒精传感器；测试仪Abstract: from the factories and enterprises to households, alcohol, leak detection, monitoring and driving under the influence of monitoring on Residents personal and property safety is very important and essential. At the same time, with Chinas rapid economic development, peoples living level improved quickly, more and more people have their own private cars, drunk driving is a leading cause of traffic accidents are a major factor, information display, in China in recent years the major traffic accidents, there are nearly 1/3 is composed of drunken driving. As a result of people safety consciousness, environmental safety and comfort requirements increase, in order to prevent the motor vehicle drivers drunk driving, live on human breath alcohol content detection has received increasing attention, alcohol concentration is gradually widely used. In addition, alcohol tester can also be used in food processing, wine and other need to monitor air alcohol concentration. Nowadays, the gas sensor to low power, multi-function, integrated development, therefore, the alcohol concentration detector has a very broad market and potential market demand.Keywords: alcohol sensor; test instrument前言酒精测试仪是用于测量人体呼出气体中的酒精含量的仪器, 广泛应用于交通警察在道路现场检验驾驶人员的饮酒情况。虽然判断是否酒后驾驶的医学标准是以检验血液中酒精浓度为依据的, 但是人体呼出气体中的酒精含量与人体血液中的酒精浓度是有一定的对应关系, 所以呼气酒精测试仪的测量结果也可作为酒后驾驶的判断依据, 且更便于执法人员现场操作和快速作出判断, 故其测量准确与否至关重要。 1、酒精检测仪的概述1.1酒精检测仪的概念酒精含量探测器是专门为警察设计的一款执法的检测工具，执勤民警可用来对饮酒司机的饮酒多少来进行具体的处理，有效减少重大交通事故的发生。也可以用在其他场合检测人体呼出气体中的酒精含量，避免人员伤亡和财产的重大损失。也可以使用在高危领域禁止酒后上岗的企业，企业用的酒精检测仪并非便携式，而是壁挂式的酒精检测仪，壁挂式较便捷式来说具有使用方便，检测速度加快，精准度高的好处，壁挂式为了更加适合企事业单位使用，增加刷卡考勤，语音报警，等一系列功能。仪器采用可替换的吹管，保证被测试人的健康卫生。可自由设定饮酒、醉酒报警值等信息。仪器报警时伴随有声报警信息，屏幕也会显示相应的提示信息，来帮助用户区别报警的种类，使操作简洁明了，使用方便。1.2酒精检测仪的分类主要按酒精含量进行检测的设备分为五种基本类型，即：燃料电池型（电化学）、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（电化学型）和半导体型两种。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。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。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。2酒精检测仪的工作原理酒精检测仪主要是利用气敏传感器进行工作，其原理是带有N型导电性的氧化物暴露在大气中时，会由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量而使其电阻增大。其后如果大气中存在某种特定的还原性气体，它将与吸附的氧气反应,从而使氧化物内的电子数增加，导致氧化物电阻减小。气敏传感器就是通过该阻值的变化来分析气体浓度。2.1酒精检测仪的主要硬件组成主要是由传感器测量电路、STC12C5A16AD单片机系统、A/D转换电路、LCD示电路、键盘扫描、数据采集、数据处理、显示、光报警等子程序仪器开机后经初始化，调用LCD显示子程序显示提示界面、阈值设置界面、测量结果界面等2.2酒精检测仪的语音模块2.2.1语音模块主要特点 (1) 内置微控制器SPI 总线串行通信接口 (支持普通单片机5V 逻辑)。(2) 单电源3V 工作(3V LDO(如HT7130)芯片稳压或用一个发光二极管将5V降到3V)。(3) 多段信息处理，可录音120s,分600 段，即每段0.2s。(4) 工作电流 25-30mA,维持电流 1A,静态低功耗。(5) 不耗电信息保存 100 年(典型值)，高质量、自然的语音还原技术。(6) 自动静噪功能。 语音播报测试结果，并给出是否适合驾驶。2.2.2语音模块主要组成(1) 麦克风差分输入电路(2) 语音芯片(3) 后置音频放大电路(4) 扬声器2.3酒精检测仪中的数据采集处理模块2.3.1数据采集子程序 数据采集子程序主要是采集检测传感器输出的模拟电压信号,并将其转换为单片机程序控制所需的数字量信号。首先对ADC0809进行初始化,然后将其0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量OOH-FFH,然后将对应数值存储到3FH内存单元。2.3.2数据处理子程序 主要是系数调整和数制转换，将ADC0809采集的模拟电压值转换为8位二进制数。系数是酒精浓度的最大测量值1500255=5.88确定。系数调整是为了使十六进制与十进制转换方便，将转换系数5.88放大10倍取整后为59即3BH作为转换系数。2.4酒精检测中的气敏传感器 气敏传感器是酒精检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲气敏传感器是一种将某种气体的体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气敏传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。目前普遍使用的气敏传感器有燃料电池型（电化学型）和半导体型两种。他们能够制造便携型呼气酒精浓度测试器，适合于现场使用。与半导体传感器相比，燃料电池酒精传感器具有稳定性好、精度高、抗干扰性好等优点。由于燃料电池酒精传感器的结构要求很精密，制造难度大，目前世界上只有美国、德国、英国等少数几个国家能够生产。2.5气敏传感器的工作原理气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。半导体气敏传感器对于低浓度气体具有很高的灵敏度，具有嗅觉功能，能自动检测瓦斯浓度。一旦瓦斯超限，气敏传感器即可自动报警，然后采取先抽后采的原则，即可防止瓦斯爆炸事故的发生。半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。2.6酒精检测仪中MQ-3传感器目前市面上用的最广的酒精检测仪上用的大多是MQ-3传感器。 MQ-3气体传感器可以应用用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。其技术特点为：（1）对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性；（2）快速的响应恢复特性；（3）长期的寿命和可靠的稳定性；（4）简单的驱动回路；（5）MQ-3气体传感器灵敏度曲线如图2-3所示。其传感原理为气敏电阻的输出阻值随乙醇气体等浓度变化而变化。 图2-3 MQ-3气体传感器灵敏度曲线传感器输出电压与酒精浓度关系：通过测量MQ-3输出信号同酒精浓度为近似的线性关系，如图2-4所示。 图2-4 酒精浓度同输出电压的近似关系气敏传感器的外观和相应的结构形式如图2-5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2-5 MQ-3传感器的外观和相应的结构形式加热电压取交直流5V均可。当气敏传感器加热后，环境中的可燃气体浓度加大时，传感器的内阻将迅速减小，利用该特性结合分压原理，分析得知Vout的值将逐渐加大，当超过我们设定的阈值时，可产生相应的操作。经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。 图2-5 MQ-3检测电路检测电路如图2-5所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻大于20M。S接通，则f，f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至10K以下，然后又逐渐上升至120K以上后并保持着。此时如果将酒精溶液样品靠近MQ-3传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于120K降至10K以下。移开小瓶过1分钟左右