酒精浓度测试系统的硬件设计

第一章前言

全球机械化水平的提高给人类的文明和进步带来了无可厚非的积极影响。遗憾的是对道路交通安全却没有带来正面的影响，导致了人员的伤亡、财产和经济损失。据1992年Transpori Research Laboratory of Overseas Development Administration 统计，全世界每年发生的交通事故中有30万人死亡，大约1500万人因交通事故而受伤。1994年全球每年的交通事故中有50万人死亡，也即全球每分钟有1人死亡，有15000万人遭受交通伤害，其中有1%致残，每年因交通事故要支出的财政费用上亿美元。1994年德国环境预测学会(the Environmcntal and Prognosis institute in Heidelherg,Germany)估计：在1995～2030年期间，如果今后机动车交通仍按1994年趋势发展，以1995年各国家的人口数据为依据，全球因交通事故死亡人数将是法国人口总数的90%，受伤人数是中国人数的90%，目前全球机械化水平的进一步发展，结果将更是不容乐观的。所以道路交通安全问题是全球性问题，各国都面临交通肇事对道路交通安全带来的危机。

由于各国资料统计口径的限制，显示了一些国家在1990～1993年间及2000年按国际统计指标口径统计的道路事故死亡人数和死亡率情况。从这近三年的统计数据可以看到我国每万车死亡人数远远高出机械化水平较高的发达国家。目前我国交通事故的严重性已受到了国际有关组织的关注，在我国从政府管理部门、交通执法机构、研究机构到每一位公民都应觉醒，关注道路交通安全、参与到治理道路交通安全的工作中来。

1.1 交通安全的现状和发展趋势

我国汽车工业发展很快,汽车拥有量猛增,自1978年以来我国汽车保有量一直以两位数的百分比率在增长,至2002年底我国汽车已达2141万辆。与此同时,每年因交通事故死亡的人数也在迅速增长,十年间翻了一番,1991年 5.3万人,2001年已达10.6万人,2002年为10.9万人,居世界第一位。更值得关注的是这种增长势头至今尚未受到有效遏制和减弱,如不作重大的政策调整,未来十年间道路交通事故年死亡人数还会再翻一番。我国道路交通事故的致死率也很高,比工业发达国家高出10倍。因此,我国道路交通安全形势十分严峻,已经引起全国各有关方面的重视。

迄今为止全世界被汽车夺去的生命已超过者已超过75万。在全球范围内，平均每万辆汽车每年死亡人数在10人左右。由于占人口优势的发展中国家的汽车总数在增加，全世界每年死于汽车事故的总人数也在增加交通事故，这场“和平时代的战争”还将无情地持续下去，全世界每年因道路交通事故造成的经济损失约为5180亿美元。随着全世界汽车拥有量的增加，全球道路交通事故的死亡人数也在增加。

根据WHO数据，全球2003年的人均纯酒精消费量为6.2L，其中欧洲地区人均达11.9L，美洲地区人均为8.7L。俄罗斯及其周边的东欧国家酒精消费量最高，其次为欧洲其他国家。在人均国民生产总值低于7000美元的低收入国家，酒精消费量与人均GDP相关，GDP越高酒精消费量越高。而随着我国近年来高速发展的经济水平和居民生活水平，酒精消费量亦呈直线上升趋势，随之而来的是因为饮酒而造成的一系列社会问题，例如酒后驾驶造成的交通意外。

当酒精在人体血液内达到一定浓度时，造成神经麻痹，大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。人对外界的反应能力及控制能力就会下降，处理紧急情况的能力也随之下降。对于酒后驾车者而言，其血液中酒精含量越高，发生撞车的几率越大。而根据世界卫组织的事故调查，大约50%—69%的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。

为了实现对人权的尊重，对生命的关爱，使更多人的生命权、健康权及幸福美满的家庭能得到更好的保护，需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。酒精检测仪的设计与使用有着不可替代的作用，也有着相当的前景和意义。

1.2 本课题的研究内容和目标

本论文研究的是一种以气敏传感器和单片机为主的酒精浓度测试仪器。通过酒精传感器检测空气酒精浓度，在数模转换时对数据进行处理，并判定是否超标。如超标，则进行语音报警。还有数码管显示功能和定时功能。

2.1 系统总体功能分析

酒后驾驶是多数恶性交通事故的主要原因。因此，杜绝酒后驾驶，是防止重大事故的根本。交通安全部门对驾驶人员进行酒精测试就成为必须的措施。本课题设计一种基于单片机的酒精测试系统。系统功能要求：通过传感器对酒精进行测试，计算出酒精浓度，精度：≤1%，显示计算结果并可语音报告，超限报警。

2.2 系统总体结构和原理

酒精浓度检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、数码管显示以及语音报警构成。

酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给模数转换器，经过模数转换器转换后，把转换后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过显示器显示出来。可以通过软件来设定一定的酒精浓度的阀值。如果所检测到的空气中的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机将会控制蜂鸣器发出语音报警，用来提示危害。

本文设计的酒精浓度检测仪主要是以酒精传感器和单片机为平台设计而成的，其硬件系统功能框图如图2.1所示。

图2.1 系统功能框图

酒精传感器 模 数转换器 单 片 机 语音报警 时 钟

数码管

3.1 信号采集电路模块

气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体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地测量。

在选择传感器的时候，一定要考虑到稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性，本系统选择MQ3 型酒精传感器。

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。MQ

3型气敏传感器由微型Al

2

O

3

、陶瓷管和SnO

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R

L 上的有效电压信号V

RL

出面获得的。二者之

间的关系表述为：RS/R

L =(V

C

－V

RL

)/V

RL

，其中V

C

为回路电压10V。负载电阻R

L

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0～5V。MQ3 型气敏传感器的结构和外形如图3.1所示，标准回路如图四所示，传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系如图3.2所示。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，一般在测量前需要将传感器预热5分钟。

图3.1 MQ3 的结构和外形