酒精测试仪论文：基于斜率计算的酒精浓度测试通道控制系统

� 山西电子技术 2009年第 6期 应用实践 � 收稿日期: 2009- 09- 20 作者简介: 陈燕生( 1983� ) ,男,助理师,目前从事电子产品的研发设计。 文章编号: 1674�4578( 2009) 06�0029�02 基于斜率计算的酒精浓度测试通道控制系统 陈燕生1 , 夏春华2 ( 1.太原海斯特电子有限公司,山西 太原 030006; 2.山西省委党校, 山西 太原 030006) 摘 � 要: 针对现有酒精传感器的恢复时间较长的问,提出了利用斜率计算来检测呼出气体酒精浓度的方法。 这种方法有效地缩短了传感器的恢复时间, 为快速的通道控制提供了可能。呼出气体酒精浓度测试仪配接三棍闸 通道控制系统实现了对饮酒者的通行控制。该套系统可广泛应用于对饮酒者有限制的各种场合。 关键词: 酒精传感器; 斜率计算; 三棍闸; 通道控制 中图分类号: TP212. 2 � � 文献标识码: A � � 近几年煤矿事故频发, 酒后驾车引发的交通事故的数量 陡增, 各行各业的事故发生概率增大,安全形式越来越严峻, 而引发这一现象的一个主要原因就是操作者酒后操作。酒 精可麻痹人的神经系统,造成人的反应时间延长 ,安全意识 降低, 智力暂时下降,酒后的操作出错率大幅上升。基于饮 酒后的种种副作用, 许多场合已不适合饮酒者进入, 如煤矿 矿井, 电厂主控室,变电站,机床操作车间, 驾校练车厂等危 险区域。为了从根本上解决这些问题, 应在进入这些场合时 进行人体呼出气体酒精浓度检测, 检测合格者方可进入。 目前现有的呼出气体酒精浓度检测仪的检测精度虽然 能达到要求, 但是检测的时间严重偏长, 不适合短时间内有 大量人员通过的场合。为了解决这个问题设计了本套系统。 1 � 系统的构成 系统的组成结构如图 1 所示, 大体分为酒精浓度检测部 分(酒精检测电路和处理器系统组成)、检测语音报警部分和 三棍闸通道控制部分,这三个部分协同工作完成了本套系统。 图 1 � 系统构成框图 2 � 酒精浓度检测系统的实现 为了解决现有的酒精传感器恢复时间较长的问题,本系 统提出了采用斜率计算的方法。 ( 1) 酒精传感器的选用 酒精传感器作为本系统中最重要的传感元件, 它的灵敏 度的高低直接决定了整套系统的灵敏度。经过对多个厂家 生产的酒精传感器的对比实验, 费加罗生产的 TGS822 酒精 传感器具有较高的灵敏度。 费加罗气体传感器的气敏素子, 使用在清洁空气中电导 率低的二氧化锡( SnO2)。当存在检知对象气体时, 传感器的 电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的电路即可 将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 TGS822 传感器对酒精、有机溶剂的灵敏度较高, 在酒 精检测器等方面得到广泛应用。 图 2 是典型的灵敏度特性, 全部是在标准试验条件下得 出的结果。 图 2 � 灵敏度特性图 纵坐标以传感器电阻比(Rs/ Ro)示, Rs, Ro 的定义如下: Rs= 同浓度气体中的电阻值 Ro= 300 ppm 乙醇中的电阻值 ( 2) 基本测试回路 图 3 � 测试回路 此传感器的测试回路如图 3 所示,由图可知传感器需要 施加 2 个电压: 加热器电压( V H )和回路电压(V C)。这个 V H 用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施 加在集成的加热器上。V C 则是用于测定与传感器串联的负 载电阻(RL )上的两端电压 (V RL )。这种传感器具有极性, 所 以 V C 需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求, V C 和 V H 可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化, 并使敏感素子的功耗(PS )低于 15 mW 的限度值, 需要选择 RL 的值。 ( 3) 理论基础 由气体浓度 � 传感器电阻比图可知气体的浓度和传感 器的电阻基本成线性关系。从基本的测试回路图及传感器 电阻的计算公式可以得出测试电路的输出电压与气体浓度 基本呈现正比例关系。假设传感器的响应时间是一个定值, 那么气体的浓度越高则输出电压的斜率越高, 根据斜率则可 推算出气体的浓度。 气体的浓度属于叠加的关系, 当连续两个饮酒人进行测 试时, 第一个人测试时在传感器周围残留了一些酒精蒸汽, 系统根据其斜率计算出第一个人的酒精浓度, 当第二个人测 试时, 由于已存在酒精蒸汽,所以浓度应进行叠加, 但是浓度 的增加速度即输出电压的斜率不受原来酒精蒸汽的影响, 所 以在第二个人测试时仍可按照输出电压的斜率来计算,这样 就不必等待传感器恢复,节省了等待时间, 这也是本设计的 理论基础。 3 � 实际应用的组成结构 ( 1) 系统组成框图:图 4 为本设计的实际组成图, 传感 器把空气中酒精浓度的值转换为相应的电信号, 经过整形滤 波电路后送到微处理器的 AD 采样端进行电信号的数字化, 微处理器根据数字化后的结果进行斜率的计算及分析处理, 然后依据处理结果控制语音报警和通道的开关。 图 4 � 系统组成框图 ( 2) 测试回路采用基本测试回路即可。 ( 3) 处理器根据要求采用 Atmel 的 mega 系列芯片 mega88。 mega88 是美国 Atmel公司推出的高性能低功耗的 avr 处理器, 它内部集成了 8 kB 的 FLASH , 8 路 10 位 ADC, 最 高分辨率时采样率高达 15 kSPS, 当工作于 16 MHz 时性能 高达 16 MIPS, 完全可以适合传感器 AD 采样计算的需求。 mega88 具有多种接口电路: IIC, SPI, UART ,以及最多 23 个 可编程的 I/ O 口, 可实现和外部电路的多种通讯接口。 mega88 支持 ISP 功能,在程序设计、调试时可以很方便地对 器件进行在线编程、修改。基于以上特点本设计选择 mega88 为主控芯片。 ( 4) 语音报警系统采用科大讯飞出品的高端语音合成 芯片 XF�S4040。XF�S4040 是科大讯飞公司推出的一款中 高端的语音合成芯片, 可通过异步串口、I2C 接口接收任意 文本, 并将文本转化为语音输出,支持六种发音风格 ,软件可 调节语速、语调, 支持文本控制标记, 提升文本处理的正确 率,该芯片极小的尺寸可以方便地集成到需要语音合成功能 的嵌入式设备中, 为其添加人性化的语音功能, 为用户提供 了一套高性价比的语音解决。 功能特点: 可合成任意的中文文本, 支持英文字母的合成; 支持 GB18030、BIG5、UNICODE、UTF�8 四种内码 格式的文本; 提供六种发音人: 女声(两种)、男声(两种)、童声、卡 通音色; 可正确的识别和处理数值、号码、时间、日期及一些 常用的度量衡符号; 支持多种控制命令, 包括: 合成、停止、暂停合成、继 续合成等; 集成提示音效,针对某些行业领域的常见语音提示音; 支持多种文本控制标记,提升文本处理的正确率; 支持休眠功能,在休眠状态下可降低功耗; 支持 UART、I2C 两种数据通讯接口; Line out 音频输出 ; 基于以上特点及本设计的需求选用此芯片。 ( 5) 三棍闸控制系统采用市面上出售的全自动三棍闸 系统即可。 4 � 软件设计 在软件的设计中主要使用到了单片机的定时 AD 转换 资源,根据前文所述我们需要计算电压变换的斜率即电压在 一定时间内的变化范围,使用定时 AD 转换功能可轻易的实 现这一需求。 图 5 � A D 中断程序图 软件设计中单片机不停的在做定时的 A D 转换, 在转换 结束中断中进行滤波、比较, 两次的 A D 测量值的差值既是 电压的变化率,也就是我们所需要的斜率值。根据斜率可以 计算出酒精的浓度,按照浓度高低控制语音系统报警和三棍 闸系统的转动,实现对饮酒者的通行控制。 图 5为 AD 转换中断的软件流程图 ,在主程序中只要根 据此中断中设置的标志位即可做出相应的操作,比如语音播 放的控制,三棍闸的开关等。 5 � 总结应用 本系统针对现有酒精传感器的恢复时间较长的问题, 通 过斜率的计算成功地实现了快速酒精检测, 缩短了检测间 隔,大大提升了酒精检测的效率,显著地提高了受检人员的 通行速度。 当工作环境的温度和湿度变化较大时可根据温度、湿度 影响的典型曲线图,通过测量环境的温度、湿度对测量结果 进行校正,以提高检测的准确度。 本系统在各煤矿的实际应用中工作可靠, 各项性能稳 定,通行速度较快, 受到了客户的好评。 参考文献 [ 1] � ATmega48_88_168 Data Sheet[ S] . AT MEL, 2005. [ 2] � TGS822 Data Sheet[ S] . FIGARO USA , 2002. The Access Control System of Alcohol Concentration Based on Slope Calculation Chen Yan�sheng 1, Xia Chun�hua2 (1. T aiyuan H S T Co . , Ltd , Taiyuan Shanx i 030006, China; 2. P ar ty S chool of S hanx i Province P ar ty Committee , T aiyuan S hanx i 030006, China) Abstract: A new w ay t o solve the pr oblem o f curr ent alcohol senso r that with a long r ecover y t ime by slope calculation is expounded in this article. This method is effectiv e in reducing the senso r's r ecover y time fo r fast channel contro l. The breath al� cohol detector s with three�r oller g ates achieve the access cont rol for drinkers. This system can be widely applied for the restr ic� tio ns to dr inker s on various occasions. Key words:alcoho l senso r; slope calculation; three�r oller gates; channel cont rol 30 山 � 西 � 电 � 子 � 技 � 术 � � � � � � � � � � � � � 2009年 �