基于電化學酒精傳感器的高準確度酒精濃度測試儀設計*

朱海華

(南陽師范學院計算機與信息技術學院，河南南陽473061)

根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局發(fā)布的《車輛駕駛?cè)藛T血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗》(GB19522—2004)中規(guī)定，駕駛?cè)藛T每100 mL血液中酒精含量大于或等于20 mg，并每100 mL血液中酒精含量小于80 mg為飲酒后駕駛;每100 mL血液中酒精含量大于或等于80 mg為醉酒駕駛。因此設計基于電化學酒精傳感器的高準確度酒精濃度測試儀以滿足大范圍現(xiàn)有的和潛在的市場需求。

1 結(jié)構(gòu)設計

呼氣式高準確度酒精測試儀主要由電化學酒精傳感器、電流模/電壓模轉(zhuǎn)換電路、溫度傳感器、壓力傳感器［1］、87C552單片機、LCD顯示屏和揚聲器等部件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 高準確度酒精濃度測試儀結(jié)構(gòu)

2 器件選擇

2.1 酒精傳感器

酒精傳感器主要包括半導體型酒精傳感器和電化學酒精傳感器(又叫燃料電池型酒精傳感器［2］)。電化學酒精傳感器是在其燃燒室內(nèi)有特種催化劑，這種催化劑能且只能使進入燃燒室內(nèi)的酒精氣體充分燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?，即選擇針對性強，對其它非酒精氣體不產(chǎn)生任何反應，如口臭、煙油、飯菜味，水蒸氣基本上對酒精傳感器的輸出沒有影響;半導體型酒精傳感器，其阻值變化與溫度以及非酒精氣體的濃度都有關系。電化學酒精傳感器響應時間約0.5 s，其響應時間不隨著器件的老化而變化;全新的半導體型酒精傳感器的響應時間最快約5 s，用一段時間后其響應時間將逐漸變長，約半分鐘。電化學酒精傳感器輸出電流的高低與吸入燃燒室內(nèi)酒精氣體的濃度成正比，其計量準確性很高，只不過電化學酒精傳感器轉(zhuǎn)換率受燃料電池的環(huán)境溫度影響;半導體型酒精傳感器，其阻值變化與溫度以及非酒精氣體的濃度都有關系，測量時只能限制而無法排除其他氣體對測試結(jié)果是否有干擾及其干擾程度，而且當酒精濃度過高或過低時，測試結(jié)果誤差會更大。

這里選擇使用電化學酒精傳感器構(gòu)造呼氣式高準確度酒精測試儀，通過檢測電化學酒精傳感器輸出電流的高低來計算駕駛員呼出氣體的酒精濃度值。ME3-C2H5OH［3］/ME3A-C2H5OH 型［4］電化學酒精傳感器根據(jù)酒精在電解池中工作電極電位上的電化學氧化原理工作，待測氣體電化學反應所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律，通過測定輸出電流的大小就可以確定待測氣體的濃度，濃度線性特征曲線圖如圖2所示。ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型電化學酒精傳感器靈敏度12 μA/(mg·L)，量程為 0 ～1.000 mg/L)［3-4］。

圖2 濃度線性特征曲線圖

2.2 溫度傳感器

鑒于電化學酒精傳感器轉(zhuǎn)換率受燃料電池的環(huán)境溫度影響，溫度與信號比率的對應關系圖如圖3所示，20℃左右時信號比率為100%。電化學酒精傳感器的環(huán)境溫度控制在恒定在20℃的溫度理想條件下效果最佳，如果使用加熱電路和溫度傳感器測溫，實現(xiàn)起來比較困難。不過，圖3的相關數(shù)據(jù)是在實驗環(huán)境測試過程中得到的，因此可以設計在單片機87C552自帶的數(shù)存中有序存放所有環(huán)境溫度(精確到小數(shù)點后一位)下對應的信號比率關系表。只需要使用溫度傳感器測量ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型電化學酒精傳感器的環(huán)境溫度x(℃)，在單片機數(shù)存中快速查找其對應的信號比率為y(%)。ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型電化學酒精傳感器輸出電流為z(μA)，環(huán)境溫度x(℃)時實際輸出電流為(μA)，實際輸出電流為與環(huán)境溫度x(℃)時信號比率為y(%)的關系如式(1)所示。

圖3 溫度與信號比率的對應關系圖

2.3 電流模轉(zhuǎn)電壓模電路

通常的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是電壓模模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，即將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型電化學酒精傳感器輸出的是微電流，設計電路將微弱電流模轉(zhuǎn)換為電壓模(如圖4所示)，然后再使用電壓模模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖4 微弱電流模轉(zhuǎn)電壓模電路圖

一般情況下，呼出氣體中的酒精濃度和血液中酒精濃度的比例是2100∶1［5］，即每2 100 mL 呼出氣體中含有的酒精和1 mL血液中含有的酒精在量上是相等的。因此，要想測出每100 mL血液中酒精多少毫克，根據(jù)ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型電化學酒精傳感器的量程，需要將輸出的微電流精確到nA級甚至pA級。一般的電流模轉(zhuǎn)換電壓模電路不夠精確。這里選擇高輸入阻抗差分運算放大器，可以很好的解決被測信號很微弱且共模干擾很高的問題，同時具有高增益、高共模抑制比和高輸入阻抗的電路特點［6］。如圖4所示。運放U4、U5接成比例運算電路形式，電路結(jié)構(gòu)對稱，外圍電阻采用高精密電阻，使得漂移、噪聲、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等相互抵消，以提高電路的放大倍數(shù)、共模抑制比和測量精度等。運放U6采用非反相閉回路放大器的電路，提供高增益電壓放大，且保持與電流方向一致。

輸出電壓與輸入電流的關系如式(2)所示:

假設最大輸入電流為 12 μA、采樣電阻R1=1 kΩ、反饋電阻R2=R4=20 kΩ、R3=40 kΩ、R5=49.1 kΩ、R6=10 MΩ，可計算出Vout=4.912 V。通過電流模轉(zhuǎn)換為電壓模轉(zhuǎn)換電路得到了與輸入電流成正比的輸出電壓信號。

電化學酒精傳感器采集的微電流信號在經(jīng)過處理后，信號的電壓幅度范圍都在0～5 V之間，滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號輸入范圍［7］。

3 硬件電路設計

由電化學酒精傳感器(仿真時使用的是Proteus里的直流電流源CSOURCE)、溫度傳感器(SHT10)、87C552單片機、LCD顯示屏(LM016L，可顯示2行16列英文字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0～D7，RS、R/W、EN 3個控制端口，工作電壓為5 V)、揚聲器(Speaker)、紅色發(fā)光二極管(LED-Red)以及電流模轉(zhuǎn)換為電壓模電路等構(gòu)造呼氣式高準確度酒精測試儀。綜合各模塊工作電源和便于攜帶，總供電電源采用9 V充電電池供電，采用相應的電壓轉(zhuǎn)換電路滿足各模塊不同電壓要求［8］。仿真電路如圖5所示。仿真時直接提供了相應的工作電壓。

圖5 硬件電路圖

4 軟件設計

加電啟動該設備，初始化87C552單片機，進入呼氣準備階段，當呼氣壓力達到規(guī)定值(ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH的壓力范圍為86 kPa～106 kPa［3-4］)，認定此時氣體符合采樣標準，若氣壓達不到要求則揚聲器報警，受測試人員需重新呼氣，直到滿足要求為止［9］。觸發(fā)電化學酒精傳感器采集酒精含量，觸發(fā)溫度傳感器采集電化學酒精傳感器的溫度。微弱電流模轉(zhuǎn)電壓模塊將電化學酒精傳感器產(chǎn)生的微弱電流轉(zhuǎn)換成電壓，再送給87C552單片機的ADC0進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。溫度傳感器采集的溫度送至87C552單片機，查詢存儲于87C552單片機內(nèi)部存儲器的溫度與信號比率關系表，得到該溫度下電化學酒精傳感器的信號比，由單片機計算在當前環(huán)境溫度下的正確的酒精含量并顯示。測試結(jié)果與相關規(guī)定比較大小是否報警，即是否違法(酒后駕駛和醉酒駕駛)。工作流程如圖6所示。

5 仿真測試

一般情況下，呼出氣體中的酒精濃度和血液中酒精濃度的比例是2 100∶1，即每2 100 mL呼出氣體中含有的酒精和1 mL血液中含有的酒精在量上是相等的。當前溫度設定3℃，模擬輸入微電流1.16 nA時，由仿真電路運行，系統(tǒng)程序執(zhí)行后先后顯示當前實際溫度(如圖7所示)和血液中酒精濃度(如圖8所示)。且此時紅色發(fā)光二極管(LEDRed)發(fā)亮，揚聲器(Speaker)報警。經(jīng)仿真性能穩(wěn)定，結(jié)果可靠。

圖6 工作流程

圖7 仿真顯示當前溫度

圖8 仿真顯示血液中酒精濃度

6 總結(jié)

基于電化學酒精傳感器的高準確度酒精測試儀具有針對性強、響應速度快、準確度高等優(yōu)點，電路設計合理，體積小，針對性強，響應速度快，準確度高，適用于警用及汽車駕駛員測試飲酒情況，也可用于一定環(huán)境的酒精濃度監(jiān)控。隨后的研究將結(jié)合指紋技術，增加存儲設備，實現(xiàn)采集結(jié)果一一對應，以杜絕個別司機事后不承認檢測結(jié)果。結(jié)合無線Wi-Fi直連技術和Wi-Fi直連打印機，實現(xiàn)無線打印。

［1］顧偉軍，史曉東，彭亦功.基于電化學原理的燃料電池型酒精傳感器技術與設計［C］//第八屆工業(yè)儀表與自動化學術會議論文集.2007:375-379.

［2］陳繼德.基于PIC16F877呼氣式酒精測試儀的設計［J］.中國儀器儀表，2005(1):77-79.

［3］ME3-C2H5OH電化學酒精傳感器［EB/OL］.http://www.winsensor.com/China/product/ProductsList/035111201111.shtml.

［4］ME3A-C2H5OH電化學酒精傳感器［EB/OL］.http://www.winsensor.com/China/product/ProductsList/033411201108.shtml.

［5］虞力英，馬慶，鄒永良.呼出氣體酒精測量的生理學問題［J］.公安大學學報:自然科學版，2001(4):11-17.

［6］陳海峰.微弱電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的設計與仿真［J］.上饒師范學院學報，2008，28(6):39-42.

［7］譚秋林，許姣，薛晨陽，等.基于C8051F040酒精濃度測試儀的研究［J］.傳感技術學報，2009，22(10):1378-1381.

［8］張震宇.基于SPCE061A的智能化酒精濃度檢測器設計［J］.電子器件，2008，31(2):738-742.

［9］熊業(yè)攀，李仁旺，朱澤飛，等.基于ARM和MiniGUl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.