酒后驾车测试仪的设计

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潜，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A1203、陶瓷管和Sn()2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〜200K,加热电压Uh为5V0上述这些参

数使得传感器输出电压为0〜5V

第二章设计方案及步骤

总设计方案

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A12O3,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

以准确反映传感潜表面电阻值的变化。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

0.5-200Ko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。

气敏传感器的外观和相应的结构形式如图所示，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，敏感元件用定在塑料或不绣钢制成的控体

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。图中①、②、③分别表示%-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℃—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

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。

电极的催化材料是伯。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种则试

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泗精测试仪才能用于

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

市场上见到过的美国路霆四号、英国Li。n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A1coHawk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。AI

coHawk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-2

001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,专感潜，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L酒精输出值，目前国内市场上半导体型芍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%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）。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7T0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修满

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

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充丙酮的响应与对酒精的响应相差无几GA3072001标准

对酒精测试仪抗干扰能力的要求是：在L浓度的正己烷气体作用下，测试仪的示

值应不大于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L,有些甚至达到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；而半导体泗精,专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。

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）o

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E-4A/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2us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0E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

所示。

t5

RD：?K门3o区（宗旨民《

ADC0809

DD

ouDDDUDDIII

45rNDDzzz

CBo-w

图ADC0809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:

⑴INO-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转换港进行转换，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，图为通道选择表。

CBA被选择的通道

000工及

001巩

010IH.

011项

100工R

101工人

110巩

1111»,

图通道选择表

(4)OE、START、CLK为控制信号端，0E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。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、B、A引

脚的功能来决定所选的通道。0809完成一次转换需100Us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：

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

术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU),随机存取数据存储

器(RAM),只读程序存储器(ROM),输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数

器，串行通信口(SCI),显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电

STARTCLK

I

N7

EOC

D

0

C

B

A

ALE

GNI)

VR(+)VK(—)0

图的结构框图

电路(PWM),模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成

一个虽小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效

地完成程序设计者事先规定的任务。

LEQC

D0Ql

D1Q2

D2Qa3

DN3

Q5

D5Qa«

D6

D'一

OE

ADD

,ADD

ADD

D0

D1

D2

D3

IM

D5

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D7阪

器

?3.«RXD)-jy-OE

?3I(TXD)EOC

G©

?3耐用

拒(140)T-

()

?P上3.i迤n;，—

?3'(KD)

图的连线图

上述功能部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上

外围芯片的传统结构模式。但CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器

的集中控制方式。

从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代AT89CXX系列机，比在

片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，与87C51单片机技能相当,

但功耗小。程序修改直接用+5V或+12V电源擦除，更显方便、而且其工作电压放

宽至，因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系

统的软件要求，故AT89c51单片机是构造本检测系统的更理想的选择。

掌握MCS-51单片机，应首先了解MCS-51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能,

MCS-51系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。制作工艺为HMOS的MCS-51

的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式，如图所示。

P1.0LVcc

P1.1PO.O(ADO)

P1.2PO.1(AD1)

P1.3-P0.2(AD2)

P1.4P0.3(AD3)

P1.5P0.4(AD4)

P1.6P0.5(AD5)

P1.7-P0.6(AD6)

RST:P0.7(AD7)

(RXD)P3.0EA/VPP

(TXD)PR1AlF/PRCC

(INTO)P3.2.PSEN

0NT1)P3.3:P2.7(A15)

TOP3.4P2.6(A14)

T1P3.5P2.5(A13)

(WR)P3.6P2.4(A12)

(RD)P3.7:P2.3(A11)

XTAL1P2.2(A10)

XTAL2P2.1(A9)

GNDP2.0(A8)

PDIP

图AT89C51芯片管脚图

40只引脚按其功能来分，可分为如下3类：

(1)电源及时钟引脚:Vcc、Vss、XTALKXTAL2。

电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc接+5V电源，Vss接地。

时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个晶体振荡

器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引掷也可外接独立的晶体振荡器。

XTAL1接外部的一个引脚。该引脚内部是一个反相放大器的输入端。这个反相放

大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。XTAL2接外

部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟

振荡器时，该引脚接受时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器

的输入端。

由于单片机具有体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点，所以本系

统采用89c51单片机，便件设计电路图如附录1所示。89c51内部有4KB的EPROM,

128字节的RAM,所以一般都要根据所需存储容量的大小来扩展ROM和RA此本

电路EA接高电平，没有扩展片外ROM和RAM。

显示电路LED

LED显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译

码静态显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保

持段码电平，该位就能保持相应的显示字符。电路中采用了锁存译码器MC14495

将P1口低4位输出的BCD码译成七段字型码，利用P1口高四位做为各锁存译码

器的所存信号，实现稳定显示。LED使用的是共阴极7段数码管。

数码管显示电路如下

PUT

P12

P13

P14

P15

P16

P17

图数码管显示电路

键盘电路

键盘有两种工作方式：编码式键盘和非编码式键盘。处理方式有扫描法和线

反转法。本设计采用的是非编码键盘，并利用扫描法处理按键，消抖由软件实现。

键盘扫描电路图:

图报警电路

第三章软件设计

主程序框图

主程序流程图

如下图所示。

图主程序框图

第四章总结

经过两周的努力，终于完成了自动检测技术及应用的课程设计。这是我第一

次基于单片机独立设计一个东西，尽管老师给出了细致的要求，但这对于我来说

是仍然很有挑战性的。

首先这是一个基于传感器和单片机的课程设计，传感器和单片机是这学期学

习的课程，虽然不陌生，但是用起来还发现很多的问题。硬件方面还好解决，弄

明白就可以了，但软件方面就非常困难了，虽然以前还做过这方面的实验，但那

都是是些简单应用。这次设计真的让我长进了很多，传感器课程设计重点就在于

软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，有好多的东西，只有我们去试着做

了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。

其次，就是使用到的各种元器件。这次我使用的基本上都是已经学过的元件,

但真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，

认认真真的研究了一遍从引脚，到时序，再到最后的电路整体构成，总的来说让

我感觉受益匪浅，让我知道了只是有理论基础的我们的诸多不足，只有理论基础

是无法在今后的生活和工作中立足的，只有将我们的理论基础与实践相结合才能

发挥出我们应该有的作用。

回顾起此次传感器课程设计，我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了

理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论

知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自

己的实际动手能力和独立思考的能力。这让我学到了很多课本上没有的东西，扩

展了自己的视野，增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小

心谨慎的作风，使自己对课题设计了解进•步加深。总之，此次的课程设计使我

收获颇丰，也是我上大学来难忘的一次经历。

参考文献

1.欧阳三泰,王侃夫.自动检测技术及应用.北京：机械工业出版社，2011

2.赵广林.protc：99电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005

3.丁向荣.单片机原理与接口技术.北京：电子工业出版社.2012

4.王祁.智能仪器没计基础.北京：机械工业出版社.2009

附录1:电路图

n

附录2：程序清单

#include<>

#include<>

itdefineucharunsignedchar

#dofineuintunsignedint

sbitdula=P2~6;

sbitwela=P2*7;

sbitlcden=P34;

sbitlcdrs=P3"5;

ucharnum;

ucharcodetable口二〃Initializing…〃;

ucharcodetablet[]=，/09，/;

ucharcodetable2[]=z，Firstword:";

ucharcodetable3[]=//Secondword:";

ucharcodetable4[]=z，Thirdword:";

ucharcodetable5口二"Terminalword:";

ucharcodetable6[]=z，Again:;

ucharcodetable7口二〃Testing…”；

ucharcodetable8[]=/，mg/L，/;

sbitadwr=P3*6;

sbitadrd=P3*7：

sbitkey=P33;

ucharkeyflag=0;

ucheirfrequency=。;

sbitledl=PrO;

sbitled2=Pl1;

sbitled3=Pr2;

sbitled4=Pl7;

ucharnum1=();

uchart=l;

uintterword1,terword2,terword3;

uinttermiword1,termiword2,termiword3;

ucharcache;

voiddelayms(uintxms)

{

uinti,j;

for(i=xms;i>0;i)

for(j=110;j>0;j—);

)

v