【简易酒精浓度测量系统设计15000字（论文）】

简易酒精浓度测量系统设计摘要经过近几个世纪的发展，使得越来越多的家庭可以拥有自己的私家车，而由于中国本身有着十分深厚的饮酒文化，使得酒驾现象成为非常严重的问题，因为酒驾产生的事故也日益增多。为了防止并杜绝酒后驾驶的行为，国家出台了新的交通规则以及其他相关的措施，宣传酒后驾驶的危害，并且不定时会在关键路段设置人为检查酒驾行为的路卡，对有酒后驾驶，醉酒驾驶行为的驾驶员进行处罚。但是由于人力资源始终有限，能够检查出来的酒驾行为并不能根治驾驶员酒驾存在有侥幸心理，为了解决这一现象，需要从根本上解决驾驶员酒驾的问题，设计一款当驾驶员进入就对驾驶员进行呼出酒精浓度检测的车内简易酒精浓度测量系统。关键词：呼气酒精检测STM32F103ZET6MQ-3ME3A-数据融合技术目录摘要 第1章绪论1.1选题背景与意义在时代发展以及我国各方面快速发展的时代背景之下，中国家庭对买车的需求逐渐增大，车辆作为一种方便快捷的载具逐渐成为了各个家庭的重要商品，中国汽车保有量也逐年提升。随着人们拥有汽车的数量逐渐增加，以及本身酒精饮料相关的饮品在我国早已足够普及，使得酒后驾车造成的事故屡屡发生，虽然交通管理部门通过对交通法律的修改和完善加大了对酒驾的惩罚力度，但是由于查处酒驾需要交警在路上逐一检查，依然无法避免部分人会存在侥幸心理知法犯法，导致即使在交通处罚办法更加严格，“喝酒不开车，开车不喝酒”的标语普及甚广的环境下，也无法完全杜绝酒驾造成的事故发生，因为酒后驾车造成的严重事故，使得驾驶人的家庭以及因为酒后驾车受到伤害的家庭都受到了不可估量的经济损失据统计，全部交通事故的40%左右都是由于酒后驾车造成，即便已经出台相关政策避免驾驶员知法犯法，但是形势依然极其严峻，而夜晚查处的酒驾最多，夜晚由于视野狭小本身就需要驾驶员提高注意力驾驶，时刻观察道路环境，夜间驾驶时饮酒更是让驾驶员以及过往行人置于危险之中，因此，通过何种方式才能够杜绝并且预防酒后驾车成为了非常重要的研究目标，也是交通管理部门一直以来需要攻克的难题之一。驾驶员状态不佳有很大程度都是由于酒后驾驶和疲劳驾驶，而酒后驾驶则是关键中的关键，正因为如此，酒后驾驶会造成的交通事故成为了大部分交通事故当中占比最高的一部分，世界各国都紧密关注并跟进此类事故的防范。对多国的调查结果进行查阅得出，酒后开车引起的事故数量远远超出其余交通事故总量。以世界卫生组织调查结果为准进行分析可以得出部分结论，酒后驾驶与大部分交通事故有关其占比甚至可以高达70%左右。根据研究得出，酒精的摄入会影响到饮酒人的社会认知功能的损害，很久以来，从事相关领域的科研工作人员，尤其是国内的相关研究人员将重点放在抑制控制这一方面，多数学者认为，酒精摄入的同时会产生一定的抑制功能受损现象，而由于抑制功能受损而产生的攻击以及暴力行为的直接原因就是饮酒人的过量摄入酒精。根据实验的结果得出了高浓度酒精对个体的认知控制能力有着显著的影响，在高浓度酒精的不断作用下，个体的反应时间将会不断延长，正确率也会相应的显著降低。这也是导致在酒后驾车更加容易产生恶性交通事故的直接原因之一。酒精在被人摄入之后，虽然酒精进入人体之后会被人体内部的脏器以及器官吸收部分酒精，然后再通过体表以及呼吸行为正常排出一部分酒精，但是酒精依然还会进入血液和人体内循环，人体血液循环的功能会使酒精进入人体组织进行相应的反应，如在肝脏位置，酒精就会被分解为CO2、H2O、C随着检测系统以及相应的基础学科飞速发展，依靠传感器检测手段功能的产品源源不断的进入人们的生活中，灵活运用传感器的性能可以生产出不同功能的产品。各式各样的产品被应用在各种情况下中来达到检测的目的。同时，由于传感器存在误差，所以为了取得更加准确的数据，需要设置多个传感器，采取多个样本，通过比对数据，数据融合，将已经采集到的数据进行统一处理之后，才能得到一个较为稳定的数据，这个数据再用来判断驾驶员是否在开车前已经饮酒，将会有效得多。在我国关于驾驶员酒后驾驶违法条例的不断更新以及对此类行为的严厉打击下，虽然因为酒后驾车导致的事故已经明显变少，但是由于缺乏合理有效的预防政策，往往在处罚开始的时候造成的损失已经出现，因此，需要设计一款能够在开车启动时就对驾驶员进行饮酒检测，以国家现行的交通法规作为判断标准，并且立刻提醒驾驶员切勿酒后驾车，用来预防酒后驾车造成事故的车内简易酒精浓度测量系统。1.2国内外酒精检测系统研究现状及发展动态1.2.1国外研究现状20世纪末，在欧洲出现并且投入使用一种专门用于检测驾驶员是否存在酒驾行为的呼气式酒精浓度分析仪，该仪器成为了第一个酒后驾驶检查仪器。随着传感器的完善，更是出现了通过审视车辆行驶时摆动方向的范围来判断驾驶员是否在饮酒后驾驶的检测系统，并且在判断饮酒后可以进行报警。现今的酒精检测装置种类繁多，可以运用于不同的检测环境，但是由于使用场地限制以及其性价比程度不同，导致并不泛用，需要设计一款拥有高可靠性的酒精检测装置。根据对国外调查的资料显示，瑞典曾研发出了一款拥有车内简易酒精浓度测量系统钥匙，当驾驶员试图用车辆遥控器上所带有的“开门”按钮时，酒精浓度传感器会自动启用，需要驾驶员对预置的小型吹管吹气，让空气通过吹管进入传感器中的反应室，产生检测数据结果之后，进行逻辑判断，并输出信号，显示检测结果，若结果符合驾车标准，则可以启动车辆；若结果并不符合驾驶标准，则车辆会无法启动。日本丰田研发并开发了一款“酒精连锁装置”的车内酒精浓度检测装置，在自动检测车内酒精气体含量之后进行判断并且与预设的酒精浓度标准相比较，如果有检测出浓度较低浓度的酒精气体，将会通过扬声器对驾驶员发出警告，若检测结果大于预设的酒精浓度范围，则会直接将车辆锁死，无法发动。该系统也与日产自行研发的卫星系统进行整合，可以达到密切监视车辆的目的。并且在某个概念车款型中提出，在车的手刹、座椅等地方安装对应的传感器，从各个角度对驾驶员进行检测，并可以通过驾驶员体表的汗液等体液进行检测，以避免检测不准等原因导致驾驶员即使饮酒了依然可以驾驶车辆的可能，并且通过对驾驶员闭目的时间的监控以及驾驶过程中车辆偏移角度的大小，判断出驾驶员是否拥有饮酒行为，如果发现驾驶员饮酒驾驶或者疲劳驾驶等危险驾驶行为，将会通过扬声器对驾驶员进行示警并根据情况使车辆停车，预防更大的事故发生。1.2.2国内研究现状国内大多数采用的是灵敏度较高和稳定度适中的警用酒精浓度测量仪测量，并且以此来衡量是否属于酒后驾驶。此类设备所采用的酒精浓度检测传感器是用了比较先进的传感器类型，这种传感器一般原理是通过传感器内置的材料与被测气体进行反应产生电流来达到检测呼出气体中是否存在酒精气体的目的。运用大规模的集成电路进行数据处理的同时，还使用了较为完善的SMT封装工艺，能够在很大的温度浮动范围内正常工作并且保持在低误差的状态，操作简单存储量大，且能够上传至电脑，但成本依然较高，同时需要额外抽调警力安排检查效率较低。本文的主要目的为，通过研发检测装置，对酒后驾驶这一违法行为进行预警，实时监控司机状态，并且对企图继续酒后驾车的司机发出警告。1.3酒精系统研究的基本内容及拟解决的关键问题在判断是否有酒驾行为时需要参考参考我国对酒后驾驶的法律定义和规定，设计出一款能够对驾驶员血液酒精含量进行采集，处理，显示，报警的便携式车载装置，避免人为检查的低效，节省因为安排专项检查而使用的人力和物力。利用传感器和处理器的相结合，解决数据的不确定性，使得数据更加精准，更加可靠。并且利用多个传感器融合，解决并避免由于环境影响导致的不准确。本课题的研究目标是设计一款拥有自动检测迅速、显示检测数据、价格便宜实惠的车内简易酒精浓度测量系统，拟采用传统数据融合的相关技术用于解决传感器可能产生的识别不到位，识别不灵敏等问题。第一章为绪论部分，主要阐述车内简易酒精浓度测量系统的研究背景、意义。分析国内外酒精浓度检测装置的优缺点，检测方法。第二章主要研究设计车内简易酒精浓度测量系统的基本方案以及对应的分析，核心内容的解释。第三章主要研究多个传感器特点以及信息融合技术的应用，分析信息融合技术的处理方法，选择合理的传感器进行处理。第四章主要是系统的整体设计以及信息融合技术在系统中担当的职能和分析。第五章主要是思考环境因素等多种情况可能对实验结果造成的影响。第六章是对全文工作内容的总结归纳，并提出该系统存在的不足以及需要提升进步的方面。第2章总体方案本章从需求分析入手，确定了系统的整体设计方案。2.1车内简易酒精浓度测量系统装置需求分析国内目前采用使用呼气式酒精检测，这种检测方法需要半导体材料参与，采用的是二氧化锡半导体，这种半导体导电率较低，气敏性较好，半导体材料遇到被检测气体的浓度或者质量发生变化时，这种半导体的电阻就会发生对应的变化，大部分情况下，酒精气体浓度越高半导体自身电阻会越低，会检测到更大的电流。因为不同气体的化学及物理特性各有不同，所以，该种传感器在遇到不同的气体时，其灵敏度是不同的，并且，在不同温度调教下，该种传感器也会拥有不同的灵敏度。在使用此类传感器时，需要在酒精浓度检测系统的内部使用热敏电阻进行补偿，在进行补偿过后，系统内部温度会使得检测环境重新满足半导体传感器的最佳运行温度，保持这一温度不变就可以让半导体传感器的灵敏度始终在最佳位置进行检测，这可以大大提高不同环境下酒精浓度检测装置的稳定性和灵敏性。其中一种为燃料电池型酒精传感器，这种传感器内置的气敏元件内置的物质会与酒精发生反应，表观的结果为产生电压差，以其反应结果作为衡量标准。电化学酒精传感器使用贵金属作为电极材料，比如使用白金，白金即为铂，化学性质不活泼，在空气和潮湿环境中稳定。在电化学酒精传感器的燃烧室内填充有拥有一定化学性质的填充物，与被检测的目标气体接触后会发生化学反应并电解出电子，从表观上产生电能，这一过程会导致产生电位差，会产生电能通过外接负载造成损耗，此时就可以根据电压与进入反应室内的酒精浓度对应关系推算出呼出气体的酒精浓度，电化学型酒精浓度检测装置的基本工作原理就是通过反应产生的电压和电流变化推算出呼出气体中的酒精浓度。电化学型的酒精浓度检测装置内的填充物只与酒精气体发生反应，所以任何其他非酒精的气体不会对检测结果产生影响，而且传感器本身对酒精气体的浓度十分铭感，即使被检测的气体中的酒精浓度含量相当低，它的两级也会产生一定程度的电压差，所以与半导体酒精浓度检测装置相比，精度更高，稳定性更好，抗干扰能力更强，这类传感器唯一的缺点在于在设计时，这类传感器较为精密，在生产过程中有很多困难需要克服，目前只有国外少数几个国家拥有此类传感器的生产技术，这导致此类传感器价格不菲，无法大面积生产使用。而如果仅仅采用传统单片机负责处理检测结果的话处理速度较慢，比如某些单片机在处理前需要预热足足40多秒的时间，恢复时间也要30秒之久。对于环境温度的要求则更加严格，超出规定的范围时会产生相当大的误差，使得工作十分不便，另外由于电路内部的问题，在重复检测过程中会产生较大的测量数值误差波动，这导致无法准确的测量出所接触气体中的酒精浓度含量。因此，传统的单片机酒精浓度检测装置会使得工作难以进行，无法作为检测浓度的仪器使用，如果使用STM32负责处理实验数据则会有所不同，STM32的处理速度较快，相比于传统单片机其预热速度很短，在几秒内就能完成预热，而且对温度的要求很低。使用基于对使用环境的要求相对较低，符合设计需要的性价比高，可靠性好，灵敏度高抗干扰能力强的特点。因此，STM32型的燃料电池酒精浓度检测装置有非常大的研究意义，本课题研究将会促使燃料电池酒精含量检测仪器的性价比有效提升，并且可以有效控制驾驶人员在饮酒后继续驾驶车辆的违法行为，为增加道路安全提供有效保障。2.3数据融合技术简介所谓数据融合技术，就是在计算机按时序获得的信息的基础上，通过对应的算法和判断，综合比较处理之后，可以达到产生一个由使用者设定要求的信息处理报告，这个报个可以为使用者或者是有需要的人提供事态判断，环境判断的方法。2.3.1数据融合技术发展过程根据调查显示，在70年代末,美国为达成声纳探测识别的军事目的，提出数据融合这一新兴理念，另外，由于传感器技术在那段时间中飞速发展，不同传感器获得数据并且进行整理集合的数据融合方式被实际运用到各个领域当中，传感器和数据融合理念在互相作用下得到非常迅猛的发展，而数据融合技术的理论以及应用研究更得到了相当快的突破。随后20世纪末，美国在通过一定模式的合理运用下，利用数据融合的处理方式对采集到的敌军或者目标信息进行处理和相应的预估，可以为军方行动提供非常宝贵的意见，达到精确引导军队火力辅助队伍战略决策的目的。这一处理方式从各方面远远超越了传统数据处理方式，随着这一科技逐渐“下放”，多传感器信息融合技术在更多的地方得以运用。在中国，数据融合技术还在比较初期的发展阶段，迫切需要有在这一领域的理论和实际学说上进行开拓性的研究，通过借鉴国外对数据融合技术的研究报告以及应用层面上进行逆向缝隙，并且努力在目标追踪识别，融合算法运用上逐渐突破，就可以逐渐形成我国自己的数据融合模型。数据融合技术被我国政府列为相当关键的技术，并且在某些重点项目中被作为重中之重，我国对这些项目有相应的技术扶持。尽管我国在这一领域起步较晚，但是可以在国外已有的成果上进行借鉴，可以在模糊控制，融合算法方面有所进展，但是因为基础学科还是以处理单个传感器产生的数据为研究方向，所以在多个传感器同步处理的方面还是有诸多不足，因此在这些方面，需要进行升入研究进行相应的突破2.3.2数据融合基本技术原理数据融合这一处理技术的主要过程最基本的要求是要满足存在多个信息获取途径，而这一途径可以由多个传感器来达成，也可以以人工观察得到的数据作为参考。获得这些数据并且进行整合处理互补之后，在进行对应的数据优化和算法，得出最终结果，产生相应结果后，会根据设计者设计需求产生较为理想较为合适的处理方式。数据融合概念的系统基本结构如图2-1所示：图2-1系统基本结构图对多个传感器产生的测试结果进行处理调整是数据融合中的融合控制中心的基本功能，可以达到提取对应的信息，然后将特征信息与设定的内容互相匹配，做出综合的决策估计的功能，达到给用户提供方案的效果。根据处理方式以及处理位置进行细分，大致可以分为三类，其中包括了数据层、特征层、决策层三种，对于第一种数据层融合，传感器获得数据然后进行直接提取，再由专门负责处理和判断的部分进行处理的一种方式；特征层相较于第一种数据层融合的处理方式而言，会先进行相应的处理，根据设计者需要优化信息，剔除不必要的信息部分，做到对信息进行压缩的功能，经过这一步骤可以大大降低整个程序的处理时间，运用分布式和集中式两种方法达到融合目的；对于第三种融合方式则是需要各个传感器在采集到对应的信息之后都进行对应的数据处理，对设置的特征进行抽取，依然需要剔除干扰或是非必要信息并且完成相应的处理结果判断，产生了多个结果后再通过决策层得出最后结果。本设计可以运用比较简单的第一种处理方法，由于传感器产生的数据量不是很大，并且为了使电路拥有一定的简洁性，故需要采用第一类。

第3章车内简易酒精浓度测量系统硬件设计为了提升整个系统的运行效率，需要对车内简易酒精浓度测量系统的硬件进行合理的挑选和安排3.1车内简易酒精浓度测量系统描述简易车内需要运用到多个传感器对驾驶员呼出气体的酒精浓度以及车内是否原本还有酒精气体等多方检测并且对应的数据处理后，可以得出关于驾驶员是否酒驾的结果，简易车内酒精浓度检测系统通过驾驶员自身自觉参与呼出气体酒精浓度测量的方法，可以减少交通管理部门为检查酒后驾驶指派警力的压力。目前可以有多种方法达到酒精检测的目的，其方法按照达成结果的过程大致可以分为以人强制进行的方法和以驾驶员自身自觉进行的方法两种，前一种需要交通管理部门为达成减少酒后驾车专门安排警员进行抽查或者逐一检查，来检测驾驶员是否在驾驶前有饮酒行为，虽然这种方法可靠性较高，但是由于是人参与负责抽查，所以存在相当大的局限性，而且由于每次只能检测一辆，效率非常低。而通过驾驶员自身自觉进行酒精检测来检查呼出气体酒精浓度方法的，根据调查显示，大多数此类酒精浓度传感器都是以单一传感器为设计思路的，也就是没有考虑到车内存在有气体流动的可能性，因此需要通过两个以上的传感器，进行比对处理识别，用以减少环境对检测数据的干扰，本系统中选用数据融合技术的目的正是为了解决由于单个传感器数据采集造成的误差对测量结果产生影响，解决现在车内简易酒精浓度测量系统存在的问题。本文的目的是设计一款利用MQ−3和ME3A−C2H5OH来检测车内的酒精含量，然后对数据进行相应的处理整合后，与标准相比较3.2车内简易酒精浓度测量系统的组成本次主要设计一种针对酒后驾驶人员的高精度车内简易酒精浓度测量系统，主要功能为利用车载的酒精传感器，车内气体的浓度会被车载的多个酒精传感器捕捉，这一行为会产生相应的信息数据，由多个传感器产生的数据经过相应的调理，比如将模拟量转换为数字量之后送至STM32中进行传统数据融合处理，处理结果会以设置好的国家标准血液中酒精浓度含量作为判断标准，若判断结果是驾驶员存在酒后驾驶醉酒驾驶行为，则通过扬声器提醒驾驶员不能酒后驾车。本设计主旨是提供一种能够面向大众的，使用方便的产品，根据人们的需要，从便于驾驶员使用的角度上，测量驾驶员呼出气体中存在的酒精浓度并且将数据呈现给驾驶员。在我国不断加强对酒后驾驶等危害交通安全行为的控的前提下，系统在功能实现方面需要做到对驾驶员人群将拥有普遍约束能力，同时，我国很多车辆都需要安装这一产品，所以从成本角度上来讲，需要控制成本的价格，要选用价格较低的元器件。将采集到的信息经过调理后，将信号送至主控制器STM32进行处理，当该检测数据超过设定的阈值时，将会发出信号，此时蜂鸣器将动作，并且对驾驶员进行提醒。即需要满足酒精的高精度检测和对应的报警功能并且拥有低价格，高稳定性即可。车内简易酒精浓度测量系统在设计的最终目的上还需要满足驾驶员可以更舒适的角度上进行酒精浓度检测，即需要拥有一定程度的便利，避免人为检测的麻烦过程，减少传统酒精浓度检测装置对距离的严格要求，达到简化酒精浓度测量过程的目的，系统的对应功能如下：简易车内酒精浓度测量系统的测量用传感器拟采用MQ−3和ME3A−C2HSTM32会根据传感器得出的数据，进行相应的处理，这一过程以国家规定为标准，得出关于测得酒精浓度的最终结果，这一最终结果将会与预设的酒精浓度阈值相比较，如果该结果最终超出了设定的阈值，证明该驾驶员在这一检测时刻存在饮酒行为，并会对意图继续进行驾驶的驾驶员进行警告。图3-1检测装置整体设计在设计的过程中，需要着重注意在设计电路时，要让电路更加合理需要着重在以下几方面多加考虑：需要提高系统的稳定性，这需要在设计电路时着重使用一些标准化的电路布局，并且尽可能在资金允许的情况下，选择最为稳定而且功能比较强大的芯片，并且需要有一定的集成程度。在系统满足正常工作的同时，最好留有能够增加功能的余地，为后面进行功能升级留下串口，以方便未来在需要增加某些功能时进行拓展。电子技术领域向来发展十分迅速，在使用仪器方面，需要在之前的布局上尽量使用一些当前较为先进的技术，用以提高稳定性。为了满足日常维护以及升级的必要性，需要采用较为简单的电路，以满足出现故障时更容易排除故障的要求。3.3单片机选型为满足给驾驶员个人的需要，在单片机选择时，需要选择能够稳定处理，并且性价比高的芯片，并且由于系统在处理数据融合时，需要相当高的计算量，因此选用ST的微控制器STM32F103ZET6。STM32增强型的单片机使用的是比一般单片机处理性能更高的单片机芯片，自带有MCU的平台所以相比于一般的ARM处理器，其拥有更低的功耗和更加强大的性能。Cortex−M372MHz的频率使得STM32的存储器拥有相当快的访问时间，运用对应的算法达到高效读取对应数据的要求，可以支持多种存储以及多种存储器控制器。拥有最基本的复位，时钟功能的同时还拥有校准功能，还可以保障低功耗，睡眠，停机，待机等多种运行状态下的存储，达到记录数据的需要DMA方面拥有支持外接定时器、A/D转换、安全数字输入输出口、电路音频总线、SDH物理接口、同步串行总线和同步异步串行收发模块的DMA控制器。在调试模式下，可以进行串行单线调试，并且拥有跟踪模块。图3-2STM32芯片同时拥有较多的定时器和16位定时器，可以满足对输入数据的捕获，比较等多种要求。拥有多个通信接口，可以满足多种功能需要。在电路设计上，STM32F103ZET6单片机的晶振电路采用两个外部晶振，一个为32.76KHz另一个为8MHz一般选用8MHz的晶振用来满足实时时钟的要求。在JTAG/SWD接口上，存在满足模式选择，时钟和数据传输的满足对应数据处理要求的出线。对已经编码过的程序进行修改和调试，符合运用情况即可使用，另外芯片上的拥有两种模式用来设置STM32F103ZET6的启动方式。3.4数据采集模块的设计3.4.1MQ-3模块介绍酒精传感器MQ-3的基本原理可以简述为通过被测气体与酒精传感器内部的化学物质进行反应可以产生相应的电压以及电流变化，根据这些电信号的强弱和大就可以反向推断出酒精气体在呼出气体当中的占比，也就是对应浓度的数据。负责与酒精气体进行反应的部分会被固定在塑料或者不锈钢等较为稳定的外壳当中，加热器可以保证传感器能够始终在较为稳定的环境温度下工作。MQ-3这一传感器使用SnO2作为气敏材料，这种气敏材料拥有不易与清洁空气中的成分反应的特点，即使发生了反应也只会产生非常微小的电流，酒精气体与传感器接触时，这一材料就会与空气中的酒精进行反应，这一反应过程会导致酒精传感器产生相应的变化输出对应信号。MQ-3气体传感器对酒精气体很灵敏，并且由于该传感器只识别酒精气体，因此，可以避免汽油、烟雾、水蒸气对MQ-3的干扰较小，MQ-3具有双信号输出指示，浓度和产生的电压成比例增加，可以产生一个5V以内的模拟电压输出，MQ-3使用寿命长，动作速度快。在工作时，MQ-3酒精浓度传感器的加热电压选取交流或者直流5V均可，利用该特性并且结合电路分析，可知随着输出电压不断增加，当超过一定设定值，可以采取相应动作，经过处理后，检测结果会以电压的大小反应，方便后续A/D转换模块进行处理。3.4.2ME3A−C2ME3A−C2H5OH也是一种电化学类的传感器，当驾驶员吹出含有酒精的气体时，酒精气体会进入其中发生反应，由这一化学反应释放出的电荷流动产生的电流将可以用于判断酒精浓度，反应后可以根据测得的电流和酒精浓度的比例关系，得出血液中酒精浓度，该电化学元件灵敏，可靠，功耗低，线性范围宽，由于其与特定气体发生反应的特性，其拥有较为优异的重复性、稳定性以及抗干扰性，适合图3-3ME3A参数由于该传感器是属于电化学传感器，直接对传感器的通气面吹气时，可能会导致反应不完全导致最终数据结果偏低，这也使得从表观上酒精浓度传感器的灵敏度下降，也有可能导致直接进入反应室导致灵敏度过高，数据过大，在进行酒精浓度检测时，还需要避免测定气体从正面吹出，同时要时刻保证气体的通气面不要被异物阻碍，通气面堵塞和污染会导致从表现上酒精浓度传感器的灵敏度下降。由于电化学传感器自带的特性，高浓度环境下长时间使用无法第一时间回到标准状态，需要一定时间才能恢复到标准状态。3.5液晶显示屏模块设计TFT类薄膜液晶显示屏有多个像素点可以满足显示的基本需要，选用的ILI9320实际上是单芯片系统级芯片晶体管显示器。拥有较高的分辨率。该控制器拥有系统接口和输入接口双接口，用户可以选择以上选项之一来查看动态或静态图像，所有数据都存储在图像寄存器中，因此控制器可以通过处理较小的数据传输，并且仅选择和移动需要更新的数据以达成快速处理的目的。通过使用窗口地址的方法允许用户更新GRAM中的某些信息。使用RGB和垂直同步接口时，ILI9320可以发送输入的信息。此方法可有效防止在屏幕上出现图像移动的问题。在RGB模式下，信息通过控制信号记录在图像寄存器中。在垂直同步模式下，可以通过系统界面显示动态图像。在这种情况下，设置特殊条件可以限制将信息写入图像寄存器的速度和方法。ILI9320工作模式较多，可以使用控制寄存器更改显示模式。当需要更改显示的模式时，需要参考RGB和垂直同步的内容进行调整，只有通过系统自带的接口才能操作，RGB和垂直同步不能同时作用。ILI9320收到18、16、9和8位接口模式命令后，对应的功能模块才会启动。可以在索引寄存器中写入指令和信息的指示器存储器地址。寄存器的读取、写入信号和数据路径用于读取和写入指令和数据。3.6电源电路设计供电模块需要满足对单片机，传感器，显示屏分别供电，不同部分的供电要求不一，需要进行对应的调整。其中的单片机系统，TFTLCD液晶显示屏的供电电压为3.3伏，酒精传感器单元的供电电压需要5伏的供电电压。大多数汽车中使用的电源电压通常为12伏，因此必须通过电源转换电路。为了将汽车内的通用电压转换为需要的电压标准，可以用LM2596开关电压调节仪器。LM2596系列保护功能较为完善，可以进行多个保护模式，在非正常的工作环境下能够保障电路主要部分不受伤害。经过逻辑设计，该组件可以创建高效的稳压电路,提供的产品具有多个电压。这次选择了5V版本，芯片为外部控制工作条件提供了引脚。LM2596需要一个独立的散热器，散热器的大小取决于输入电压，输出电压，负载电流和环境温度。用LM2596将电压可以调整为正5V的输出，输出电流将达到3A，通常具有一定的热保护和电流控制保护。使用X1117芯片使得电路输出5V电压之后再用稳压器调整到3.3V。电路设计如下图3-4所示。图3-4基本封装线路LM1117电路可以将输出电压保持在准确度之内，输出端需要一个至少10μF的电容来改善瞬时响应和稳定性。第4章车内简易酒精浓度测量系统软件设计4.1系统主程序流程设计启动STM32主控制器后，系统必须首先在串行端口上设置一个步骤，以达到初始值，并确定车辆是否提前受到酒精的影响。MQ-3然后可以开始测量酒精含量。通过目标定义，基本控制可以集中处理酒精浓度数据，通过模糊管理方法获得最终值，并将其与目标值进行比较。如果超出最终设置，则可以将控制信号发送到扬声器以设置警报。警告驾驶员请勿酒后驾驶，并且通过液晶显示屏显示当前呼出酒精浓度，并同时记录数据。系统的总体流程图如下图4-1所示。图4-1系统总流程图4.2数据采集模块的设计4.2.1MQ-3程序设计酒精传感器会显示驾驶员和乘客呼吸当中存在的酒精含量。酒精检测器MQ-3与酒精发生化学反应后产生与浓度相对应的电压差并且转换为电信号，电信号会被发送到AD转换模块。转换处理会将数字信号发送到STM32，主控制器对输入的数字信号进行分析和处理。根据血液酒精浓度和呼出气体浓度的酒精浓度换算关系，拥有以下计算方式，需要按照该公式进行设定运算：BAC(mg/L)=BrAC(mg/L)×k该式中我国采用的k为2200的标准，即可以得出在这一情况环境下，驾驶员呼出气体与血液酒精的含量的相互关系。MQ-3程序设计图将如下图所示：图4-2酒精模块流程图4.2.2程序设计气体化学反应用于测量驾驶员呼出的气体中的酒精气体部分，其反应程度与样品气体的电化学反应所产生的电流成比例。根据法拉第定律，可以通过测量产生的电效应来确定要测量的气体，程序设计如下图所示。图4-3程序设计流程图4.3ADC的采样以及数据整理设计STM32芯片已经具有一个模数转换器，能够替换模数图像。内置的STM32数模转换的方法是数字量通过逐次逼近寄存器SAR产生。逐次逼近寄存器运用“对分搜索法”的方法产生对应的数字量，以8位的数字为例的话，逐次逼近寄存器产生了8位数字量的一般用来试探Vi的大小，若V0<Vi，那么清除最高位，反之则保留最高位，然后依次进行直到每一位都被确定，则转换结束。每次更改STM32时，都需要打开触发信号：上升沿，下降沿和计时器三种形式作为STM32内部AD转换器的触发方式。电化学传感器MQ-3和ME3A输出模拟电子信号，然后后续信号调理电路可以将合适的电压信号输入至STM32的AD转换器模块当中将模拟信号转为数字信号，通过对数字信号进行相应的程序处理，包括数据融合，平均值运算等多种运算后，可以得出最终结果。可以使用ADC_CR来设置修改后的AD操作系统和开关频率。AD数据存储器用于文件存储数据。A/D转换器的输入频率由PCLK生成，并且可以选择以12位精度返回。ADC的采样时间为(1.1)当使用STM32的数字量和模拟量进行转换步骤时，就可以在初始化完成之后就进入转换步骤，可以根据数据记录保存的采样时间对数据进行保存，并且对得出的数据进行比较处理，求出平均值，再经过数据转换即可求得酒精浓度。开始转换之前，需要进行一些配置，例如引脚配置和时钟设置。：图4-4ADC程序配置调整ADC之后，需要执行ADC1转换操作，此时需要调用函数库，以将模拟变量正式转换为数字变量。ADC转换后，采样点存储在数列中，并据此计算这些点的平均值，并进行处理，最后，根据产生参数与酒精浓度之间的客观关系来计算驾驶员的血液酒精含量。并进行比较，具体如下图4-5所示：图4-5程序调用部分为降低程序被其他因素影响到采集速率的可能，在主程序中需要适当调用ADC单独作为一个任务设计的主程序。4.4LCD显示程序配置首先需要源代码，将其传输到酒精浓度程序中，并根据用于定义LCD初始化功能的LCD型号和尺寸，在相应的文件中调整LCD的显示。完成上述步骤之后需要对LCD的驱动程序进行编译，这些过程需要用到对应的底层程序进行驱动，底层程序包括以下几个部分：图4-6程序驱动部分完成底层函数驱动之后，需要调用对应的函数库，并且根据设定好的内容进行相应的显示，达到提示驾驶员当前检测出的酒精含量等相对应的问题。第5章传感器误差分析5.1环境分析车载简易检测系统主要采用的是STM32控制，如果加装了SIM900A，则可以实现对两组酒精浓度传感器得出的数据经处理之后，将其发送至附近交管部门数据库的功能。SIM900A能满足几乎所有用户的需求，如M2M数据传输系统。键盘和用户界面使用户可以灵活地设计和开发应用程序，并具有可编程的通用输入和输出接口。考虑到存在以上扩展内容的可能，也需要对车载状态进行相应的考量，比如车辆内部环境对外接插口调整的影响，是否符合便于加装功能区块的情景，另外，也需要考虑车型是否可能对数据传输等加装模块产生影响，需要对可行性进行分析。同时，由于可能存在车辆无法连接网络等状况，若需要安装这一GPRS模块需要判断是否能够长时间接收到网络，以便驾驶人员在测量出超出酒精含量标准意图继续驾车时，交通管理部门能够立即采取相应措施进行反应。由于不同传感器在同一测试环境下对被测液体的灵敏度不一样，所以可能导致在不同情况下，两个传感器产生的数据有较大差异，而这种情况会导致严重影响检测结果。同时不同传感器在不同温度下所测得的结果也会不一样，对数据也需要相应的调整和更正，可以加装对应的温度检测模块，并将当前温度会造成的误差值显示在显示器上。第6章总结展望本课题主要是设计了一款关于车载使用的便携式酒精浓度检测装置，需要稳定，准确的呼吸酒精检测器。本文档的主要主题是酒精浓度检测器的选择和合理使用。该系统在实现检测驾驶员是否在驾车前饮酒，通过检测驾驶员呼出气体中的酒精气体的浓度进行数据融合处理之后，将检测信息在显示屏上显示，在这一过程中同时会与已经设定好的标准值进行比较，这一标准需要严格按照我国关于酒后驾车的相关条例进行判断。而根据血液酒精浓度和呼出气体浓度的酒精浓度换算关系，拥有以下计算方式，需要按照该公式进行设定运算。该式中我国采用的k为2200的标准，即可以得出在这一情况环境下，驾驶员呼出气体与血液酒精的含量的相互关系。本次设计了车内简易酒精浓度测量系统，采用了型号的主控制芯片，运用多个电化学酒精传感器进行全方面的信息采集，设计了信号采集部分的硬件电路以及检测装置。并且需要根据设备的功能建立主任务、AD采集任务、液晶显示任务等多个任务。本文的研究还存在以下不足：需要通过对市面上不同使用的酒精浓度检测装置进行调查，来进行测试校准实验数据。需要对标准酒精气体进行进一步测试，测试结果可以有助于对车内简易酒精浓度测量系统的校准提供帮助。通过对酒精传感器的检测原理分析可知，需要增加压力传感器以及气敏传感器用以触发启动硬件模块和软件模块，感应驾驶员对车内简易酒精浓度检测装置的吹气行为，以便达到对呼气的要求；其次温度对酒精转化率的可能会有一定程度的影响，当低于20摄氏度的时候就需要考虑到温度已经对酒精检测装置的传感器造成了较大的影响，而在这一情况下，需要对采集到的结果和数据进行补偿，测试酒精气体在反应腔内得到完全的转化。虽然本系统对以往的车载酒精检测系统拥有很大进步，但是由于技术和知识的缺乏，该系统还有很多值得提升和改进的地方，比如在加装GPRS模块时，可以同时在加上照片上传功能，在对驾驶员进行呼出气体酒精浓度检测时对驾驶员现状进行拍摄，在酒精浓度检测结束之后，上传至交通管理部门进行保存；其次，虽然STM32拥有更加灵活的接口但是在需要加装功能时，需要同时考虑到设备兼容问题以及存在安装问题时的应对方法和解决措施，提高各个模块相互的兼容性可以大幅提升车内简易酒精浓度检测系统的稳定性；最后，