呼出氣體酒精含量探測器的設計

吳必瑞

（寧德師范學院 物理與電氣工程系，福建 寧德 352100）

呼出氣體酒精含量探測器主要是針對含有危險性作業(yè)的公司而開發(fā)的酒精含量測試產(chǎn)品，如各類高空作業(yè)、車隊、煤礦及其它一些有危險的作業(yè)，若作業(yè)前飲酒過多，作業(yè)中則極易發(fā)生安全事故.呼出氣體酒精含量探測器能在規(guī)定的溫濕度和氣壓條件下，測量呼出氣體中的酒精含量.市面上較多的燃料電池呼出氣體酒精含量探測器的核心部件是電化學裝置燃料電池，裝置內(nèi)部的選擇性鉑電極和酸性電解液與采樣氣體內(nèi)的酒精發(fā)生反應，靠傳感器輸出信號檢測換算出采樣氣體內(nèi)的酒精含量[1].隨著計算機技術(shù)，尤其是單片機技術(shù)和大規(guī)模集成電路及各種新型傳感元件的迅速發(fā)展和日臻成熟，酒精含量探測器將朝著體積小、功耗低、測量和使用方便的方向發(fā)展.本文采用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430（作為中央處理器）和燃料電池型酒精傳感器設計制作了呼出氣體酒精含量探測器.該探測器可用于對車輛駕駛?cè)藛T是否酒后駕車的測試[1，2].

1 酒精傳感器的結(jié)構(gòu)原理

燃料電池型呼氣酒精測試儀采用燃料電池酒精傳感器作為氣敏元件，又稱為電化學型.燃料電池酒精傳感器采用貴金屬白金作為電極，在燃燒室內(nèi)充滿了特種催化劑，能使進入燃燒室內(nèi)的酒精充分燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在輸出的兩個電極上產(chǎn)生輸出電壓，此電壓與進入燃燒室內(nèi)氣體的酒精含量成正比.所以只要檢測輸出電壓就可以推算出酒精含量.對準探測頭以中等力度呼氣達三秒鐘以上，這時呼出的氣就是從肺部深處出來的氣體.呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量由下式表示[3].

式中，BAC代表血液酒精濃度，BrAC表示呼氣酒精濃度，單位均為mg/L.

根據(jù)能斯特公式，在理想溫度和系統(tǒng)壓力范圍內(nèi)，燃料電池的輸出電壓與吸入酒精氣體的壓力滿足公式

式中，E0為標準壓力下的電動勢，PA為酒精氣體的分壓，PB為乙酸氣體的分壓，T為工作溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)（1摩爾電子的電量，96485C），R=8.314J·mol-1·K-1為摩爾氣體常數(shù).

若酒精（乙醇）氣體的分壓變化ΔP，初始分壓為P1，而乙酸、O2和H2O的分壓都不變.在一定的壓強條件下，可得

在各濃度區(qū)間中，傳感器的輸出電壓的變化值與酒精濃度近似呈線性關(guān)系[4].

對傳感器輸出電壓與酒精濃度的非線性補償采用查表法實現(xiàn)，在EPROM中，以A/D轉(zhuǎn)換值為單元地址存放與之相對應的酒精濃度.當以A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為地址訪問EPROM時，存放在該單元的酒精濃度被讀取，非線性校正誤差的大小取決于A/D的轉(zhuǎn)換精度.

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及硬件設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

酒精含量探測器是以MSP430F449單片機為主控制器件.探測器采用的ME3A-C2H5OH燃料電池酒精傳感器具有響應、恢復迅速、檢測快捷方便等特點.單片機根據(jù)已測量的反映實際含量的電壓值計算出呼出氣體酒精含量.測量工作過程中酒精濃度超限自動聲報警，儀器報警時伴隨有聲報警信息，LCD屏幕也會顯示相應的提示信息，來幫助用戶區(qū)別報警的種類.探測器提供實時時鐘顯示；同時還預留出通信接口可與計算機通訊傳出數(shù)據(jù)、分析檢測數(shù)據(jù)結(jié)果.采用MAX3485作為電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)單片機PC主機之間的串行通信[5，6].系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊負責將酒精傳感器（ME3A-C2H5OH）、溫度及壓力傳感器的輸出信號調(diào)理成標準的電壓信號，送入MSP430內(nèi)置的12位A/D模塊進行數(shù)據(jù)采集.對于傳感器輸出的信號，由于取樣電阻上的電壓信號范圍在0～2.5V之間.選擇2.5V內(nèi)部正參考電源，在信號進入MSP430F449的I/O（P6.0，P6.1，P6.2）口之前，為了保持波形不變，需將經(jīng)過電阻分壓，同時經(jīng)過二階低通濾波器濾掉高次諧波，為保護單片機不被燒壞，需加入穩(wěn)壓二極管保護，以確保電壓不超過2.5V.

2.3 RS-485通信接口電路

RS-485通常應用于一對多點的主從應答式通信系統(tǒng)中，相對于RS-232等全雙工總線效率低了許多，因此選用合適的通信協(xié)議及控制方式非常重要.RS-485因硬件設計簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點廣泛應用于工廠自動化、工業(yè)控制、智能小區(qū)等領(lǐng)域.RS-485總線發(fā)送的時候使用兩根線，兩根線上的電壓相反，當A線上的電壓高于B線時為邏輯1；當B線上的高于A線時，為邏輯0.采用MAX485芯片變成RS-485接口所需的電平轉(zhuǎn)換，從計算機或終端接收的數(shù)據(jù)傳送給通用串行接收/發(fā)送器，其電路圖如圖2所示.其中MAX485的1管腳與MSP430F449的P2.4端口相連，作為通信電路的數(shù)據(jù)接收；4管腳與430F449的P2.5端口相連，作為通信電路的數(shù)據(jù)輸出.MAX485的RE與DE短接并一同接入430F449的P1.1端口，P4.2作為MAX485芯片的使能端[5].

圖2 RS-485通信接口電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設計

呼出氣體酒精含量探測器的軟件系統(tǒng)是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫的，采用模塊化程序設計思想，充分發(fā)揮了MSP430系列單片機低功耗的特點.整個程序包括的子模塊有：酒精含量A/D集體模塊、鍵盤控制模塊及LCD顯示模塊等幾部分構(gòu)成.主要的軟件流程圖如圖3所示.

3.1 酒精含量A/D采集模塊

該探測器充分利用功能模塊相對應的片外設功能，設好中斷的優(yōu)先級后，即使在低功耗模式下，MSP430能在6μs時間內(nèi)就能實時地響應中斷源.A/D測量模塊功能是采集來自信號調(diào)理電路出來的呼出氣體酒精含量信號.A/D采集采用序列通道多次轉(zhuǎn)換的工作模式，能在多路信號同時采集完成后執(zhí)行中斷，提高系統(tǒng)響應的實時性.在該探測系統(tǒng)中同時采集酒精傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器信號，其A/D子程序流程圖如圖4所示.

3.2 鍵盤控制模塊及LCD顯示

鍵盤模塊主要設定呼出氣體酒精含量值的上下限及功能選擇，采集的酒精含量值送點陣液晶顯示.430F449內(nèi)部自帶一個160段的液晶（LCD）驅(qū)動器，液晶顯示緩存器各個位與液晶的段一一對應.存儲位置可以點亮對應的液晶段，存儲位復位則使液晶段變暗.輸出控制能夠自動從顯示緩存器讀取數(shù)據(jù)，送出相應信號到液晶玻璃片上.

3.3 上位機及通信模塊

人機交互控制采用RS-485通信接口，方便探測器與PC之間的串行通信.通信協(xié)議采用標準的ModBus通訊規(guī)約.主要功能包括：與MSP430實時通信；數(shù)據(jù)庫建立（采用ADO技術(shù)）；顯示呼出氣體酒精含量值；歷史含量值的存儲與查詢；打印檢測到的呼出氣體酒精含量和存儲含量值報表等.

圖3 MSP430的主程序流程圖

圖4 A/D子程序流程圖

4 結(jié) 語

探測器以ME3A-C2H5OH燃料電池酒精傳感器為傳感元件，溫度檢測采用PT100電阻溫度傳感器.MSP430單片機可用C語言完成程序設計，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率及系列的實時性，用它做呼出氣體酒精含量探測器的監(jiān)測和控制具有高精度、低功耗、抗干擾能力強等特點.

[1]王廣成.酒后駕車酒精含量界定標準的判定[J].中國計量，2010（5）：29-30.

[2]黃靜妍.呼出氣體酒精含量檢測儀的正確使用[J].上海計量測試，2009（5）：42-43.

[3]岳睿.警用呼氣式酒精傳感器的研究進展[J].化學傳感器，2006，26（5）：6-11.

[4]詹姆斯，拉米尼，安德魯，等.燃料電池系統(tǒng)原理設計應用[M].第二版.朱紅，譯.北京:科學出版社，2006.

[5]熊業(yè)攀，李仁旺，朱澤飛，等.基于ARM和MiniGUI的呼氣式酒精測試儀研究[J].計算機測量與控制，2009，17（8）：1667-1670.

[6]何平，趙紅東，潘國峰.一種便攜式TiO2薄膜乙醇氣敏傳感器的研制[J].傳感技術(shù)學報，2007，20（7）：1441-1443.