时间: 2023-10-14 19:57:03 | 作者: 酒精测试仪
2000年以来随着汽车逐渐走进普通百姓的家中交通安全事故也飞速增加，尤其是汽车驾驶人员酒后驾车致使交通事故发生率高升，严重的危害了交通安全和人员生命财产安全。对汽车驾驶人员的酒后监控便变得很重要，于是酒精检测仪也就应运而生。然而市场上目前大范围的应用的酒精检测器大多数都是吹气式检测仪，这种酒精检测仪主要是通过饮酒者吹气的方式来进行检测。
吹气酒精含量测试技术始于1927年美国Bogen 发明的仪表-LionIntoximeter 和 Camic Breath Analyzer ，此种方式检测的缺陷是需要的检测时间通常较长，且常常会出现饮酒者由于酒精的作用不配合吹气以逃避酒精检测而免受处罚的情况，因此导致交警在强制执行的过程中耽误大量的时间，并可能因此导致道路上汽车拥堵，从而引起交通阻塞和新的交通事故。同时，交警在查出酒精超标后需进一步对酒驾者进行笔录，也会花费大量时间，这些势必会造成查酒驾时动用大量的人力物力，损耗大量资源和时间。[1]
目前主流的酒精检测仪主要有燃料电池型呼气酒精检测仪和半导体型呼气酒精检测仪。国外使用燃料电池型酒精检测仪较多，该类酒精检测仪精度高但是价格昂贵，我国目前主要是采用的为半导体型呼气酒精检测仪。对呼出气体中酒精含量的检测一般都会采用酒精传感器，主要原理是当具有N 型导电性的氧化物暴露在大气中时，会由于氧气的吸附而减少其内部的电子数量而使其电量增大。其后如果大气中存在某种特定的还原性气体，它将与吸附的氧气发生反应，从而使氧化物内的电子数快速增加，导致氧化物电阻减小。半导体型呼气酒精检测仪内采用的酒精传感器是通过该阻值的变化来分析气体浓度，以此来判断人体内血液的酒精含量。[2]
由于人是一个复杂的生理体，人种、体质、精神情况和所处环境等不同，因此不同的人对酒精的反映差异很大，这也是造成目前世界各国对人饮酒和醉洒的判定标准并不统一的原因。美国DUI 定罪线ml BAC。瑞典DUI 非法线ml BAC，定罪线ml BAC。我国对血液和呼出气体中酒精含量检测也有标准，根据GB19522—2010规定的饮酒和醉酒判定标准是:
(3)BAC 大于或等于80mg/100ml，为“醉酒”状态。驾驶员呼气酒精浓度检测的新方法是先检测其BRAC，再将BRAC按特殊的比例系数转化为BAC，按BAC 的标准评定驾驶员饮酒状况，BAC ( 单位mg/100ml) 与BRAC ( 单位mg/L) 的比例系数在1900 :1 ≈ 3400 : 1 范围内变化, 我国真实的操作时行之有效的做法是测出呼气酒精浓度后, 按血液、呼气酒精浓度比2200:1 的比例计算出血液酒精浓度, 即BAC=BRA ╳ 2200，同时国家标准《呼出气体酒精含量检测仪》对检测精度指标做了明确规定。[3]
第一代呼气式酒精分析装置于20世纪30—40年代初出现，其原理是酒精蒸气被酸性高锰酸钾溶液氧化，根据溶液褪色的时间来推测乙醇的浓度，故被称作湿化学法。这种方法警员要经过专业培训才能掌握。
1954年，美国印第安纳州警察局研制出了新型“呼气分析仪”，它的原理是呼气中酒精被置于特殊设计的小瓶中的重铬酸钾和硫酸混合物氧化，瓶中的混合剂会从橙色变成绿色，而化学反应产生的电阻变化也会令指针移动，精确标示出呼气中酒精的浓度，并通过微电脑将其换算成血液酒精的浓度。这也就是上述教材介绍的手持式酒精测试仪的原理，直到今天，世界上很多国家还在用这种酒精测试仪。
20世纪70年代，气相色谱法也被用于检测呼气中的酒精，但由于设备体积较大不可能广泛推广。
20世纪70年代早期，英国研制出一种运用电化学方法的呼醇检测装置，又被称作燃气电池型呼气酒精测试仪。它的原理为呼气中酒精被催化剂氧化成二氧化碳(或乙醛)和水的过程中释放出化学能，化学能经能量转换器转换之后成电流通过电伏特表表读值越高，则乙醇浓度越高。图1为其电化学原理示意图。
燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性高、精度高、简单易操作等优点，所以现在被普遍的使用，但它的缺点也显而易见，其他醇类物质也可能被氧化，导致检测准确性和特异性受一定的影响，按照执法程序规定，如当事人对吹测结果有异议的需要进行“血检”。[4]
20世纪70年代，红外光谱法也被用于检测呼出气中的酒精，它的原理是酒后的红外线吸收光谱显示出明显的吸收波段，通过酒精分子吸收红外线的程度，来确定酒精的含量。红外光谱型呼气酒精测试仪具有稳定、抗干扰能力强的优点，起初同气相色谱法一样，受仪器大小的限制，并没有被推广使用，但随着集成电路技术的发展导致仪器大小和结构发生革命性变化，便携式红外光谱酒精测试仪成为可能。由于红外光谱型呼气酒精测试仪的可靠的部分地区可以直接作为执法依据 ，免去了过去需要抽血检测的繁琐程序。美国、英国、瑞典、日本等发达国家以及我国香港地区，在查处酒后驾车方面均普遍的使用红外线型酒后驾驶执法查处系统来进行执法，检测结果作为法庭认可的执法证据采纳，与血液检测具备同等的法律上的约束力。[5]
除了以上介绍的几种方法外，还有一种是半导体呼气式酒精测试仪 f，半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低。半导体测试仪的优点是体积小、价格低，网上兜售的廉价的酒精检测仪大多数都是该类型，缺点是抗干扰能力差，有实验表明，让一个抽烟者抽完一支烟后5分钟用各种酒精测试仪来测试，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。因此该类型酒精检测仪较难符合公安部制定的国家公共安全行业标准“呼出气体酒精含量探测器GA307—2001”，通常只用在要求不高的场合，如自我检测，或一般性定性检测，一般不作为执法依据。[6]
现阶段呼气式酒精含量检测仪在各国主要是应用于交管部门，作为判断驾驶员是否饮酒驾车或醉酒驾车的法律依据。根据《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》中对饮酒驾车的规定：驾驶人员血液中酒精含量大于或者等于20mg/100mL，小于80mg/100mL 的驾驶行为；对醉酒驾车的规定为：驾驶人员血液中酒精含量不小于80mg/100mL 的驾驶行为。所以在我国市场上，酒精检测仪的测量范围至少需包含20-80mg/100mL。为了充分满足常见应用的需求，本课题的目标是制作测量范围为0-200mg/100mL。且满足GA307-2001 要求的呼气式酒精含量检测仪。根据呼出气体酒精含量探测器的行业标准GA307-2001 的相关规定和市场实际应用时的需求，可以将呼出气体酒精含量检测仪系统功能分为：基本功能和附加功能。其中基本功能包括：测量功能，用来检测呼出气体中酒精的含量，并根据此含量推算出血液中酒精含量，另外用DS18B20 温度传感器实时检测酒精传感器附近的温度，使酒精得到最大限度的转化；显示功能，主要是显示测试的酒精浓度和此时的温度；报警功能，当浓度达到饮酒状态或醉酒状态时会发出不同的警报声。附加功能包括：串口通讯功能，可将测试结果上传到计算机中进行存档。元器件的选型
综合可靠性、体积、成本、简化结构、经济适用等因素，选用基于ARMV7 架构Cortex-M4F 内核的32 位嵌入式微处理器。该系列芯片具有体积较小、低功耗、成本适中，高性能和灵活性相结合，并且自带的寄存器较多等优点。该微控制器提供了32位精简指令集，用16 位的Thumb 指令能节约很大的空间。另外该微控制器提供嵌入式ICE2RT 逻辑，还可以执行流水线作业，对芯片上调试点和断点的支持，具有先进的软件开发和调试环境。支持可选的JTAG 和SWD 调试接口，以进行快速的程序下载和调试。
本系统的主控芯片采用ARMV7 架构32 位精简指令集(RISC) 微处理器STM32F407ZG。STM32F407ZG 微控制器支持实时仿真和嵌入式跟踪，独特的结构和128 位宽度的存储器接口使其能在最大时钟速率下得以运行，可使用16 位的Thumb指令将代码规模降低并且对代码规模有严控的应用。STM32F4 系列微控制器具有极低的功耗及超高的性能等优点，具有多通道12 位ADC 数据转换以及多个定时器等功能，可用于多个信号一起进行转换传输。STM32F407ZG 多达16 个外部中断，114个可用的GPIO 口，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。该微控制器还包含1 个USB2.0 全速设备、2路CAN2.0B 通道、低功耗实时时钟、看门狗定时器并且含有SD 存储卡接口。由于有着非常丰富的片上资源，不但可以完全满足检测装置的需要，而且在硬件设计过程中容易很多，使得该芯片很适合用于医疗检验测试产品及工业控制等。它们在系统中的主要任务是采集传感器的信号进而对酒精含量做出判断，并且对各个功能模块之间进行任务调度。
理论上，检测驾驶员血液中的酒精含量是判断饮酒驾驶的最准确的方式为。通过唾液、呼气、血液和小便等方式的可以检测到血液中的酒精含量。交警现场通过血液、唾液和小便等检测方式既不方便也不现实。然而当人饮酒后，酒精通过消化系统被人们的身体吸收后，再经过血液循环，肺部会排出约九成的酒精气体，因此若想检测血液中的酒精含量，可通过检验测试呼气中的酒精含量来进行计算，呼气式酒精含量检测已是法律机构采用的主要方法。
根据呼气式酒精含量检测仪的研究现状和发展的新趋势中的分析可知：目前常用的呼气式酒精含量检测仪只有燃料电池型与半导体型。按照GA307规定的测试条件，我们对市面上常用的几种酒精检测仪进行示值误差和重复性实验，由实验结果可知部分半导体型的酒精检测仪不能够满足规定的要求，而电化学型酒精检测仪都能够很好的满足要求，可以直观的了解到燃料电池型传感器能够较容易达到GA307的要求。且半导体传感器不仅对酒精气体敏感，还对呼气中的其他气体敏感；而电化学型酒精传感器能够精确地控制反应腔内特种催化剂的成分，使得该传感器对酒精成份的敏感度远高于对其它气体的敏感度。实验表明，让一个吸烟者先吸一支烟，等待五分钟，然后用各种酒精测试仪对其来测试，结果显示半导体型酒精测试仪读出的数据是燃料电池型检测仪显示的8-10倍。可见燃料电池型传感器对其他气体的抗干扰性比较好。而且燃料电池属于清洁能源，更符合时代发展的要求。所以本课题选择的是燃料电池型酒精传感器。
由GA307 中血液与呼气酒精含量换算表和技术参数的要求可知检测仪主要的测量技术指标为：
2）示值误差：仪器在0.2mg/L 及其以下测量范围内，最大示值误差不允许超出± 0.025mg/L；在大于0.2mg/L，小于等于0.4mg/L 的测量范围内，最大示值误差不允许超出± 0.04mg/L；在0.4mg/L 以上的测量范围内，仪器示值相对误差不允许超出± 10%。
3）示值重复性：在小于等于0.4mg/L 的测量范围内，重复性不允许超出± 0.006mg/L；在0.4mg/L 以上的测量范围内，仪器示值相对误差不允许超出± 1.5%。根据以上对系统主要参数的要求，本课题最终选择了市场上很常见的电化学酒精传感：ME3A-C2H5OH，其测量范围、示值误差和重复性等都能满足GA307 的要求。
ME3A-C2H5OH 型燃料电池传感器是根据电化学原理工作的——利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化所产生的电流与其浓度成正比，并遵循法拉第定律的原理，得到一个与酒精浓度大小相关的电信号输出，再根据两者之间相应的关系反算出待测气体中酒精的浓度。图2.1是它的酒精浓度响应特性曲线。
酒精含量检测系统采用燃料电池酒精传感器和温度传感器采集饮酒者呼气中的酒精浓度值和此时传感器附近的温度值，传感器输出的电流信号经过信号调理电路输入到STM32 微控制器，微控制器对传感器采集到的信号做处理。如果检测到呼气中含有酒精，则会在液晶屏上显示对应的酒精浓度和发出报警声。在设计系统时，考虑到检测仪以后有很多扩展功能的需求和模块化的设计理念，本设计中将系统分为STM32 最小系统模块，信号调理电路，串口通信模块以及显示、蜂鸣器报警模块。首先将测得的数据存储在扩展的FLASH 与RAM 中，方便用户在需要时能够最终靠主程序读出数据；其次通过判断读出的数据来设计报警系统，如果判断驾驶员为饮酒驾车就会发出报警信号。在系统模块设计过程中，考虑到检测仪以后有很多扩展功能的需求，即根据仪器功能要求将整体分为若干个相对独立的模块分别进行设计。本设计中将系统区别划分为酒精检测模块，显示模块，报警模块，串口通信模块。所以本文主要从以下几个方面做设计：
（1）STM32 核心板系统。STM32 的运行需要基本的晶振电路、复位电路、电源电路等必要的模块，核心板系统负责指挥调度管理各个任务。核心系统为系统的启动和运行提供了稳定可靠的支持。
（2）酒精传感器浓度检测模块。该模块包括酒精信号的采集、预处理、运算与显示等。该模块首先通过气嘴采集气体，送入燃料电池酒精传感器，以感应气体中的酒精信号；再经由信号调理电路进行滤波、放大，得到比较好的信号送至微控制器；使用STM32F4芯片内置AD转化，然后根据气体中酒精含量与所得信号的相应关系编写相关软件，进行运算处理；最后将计算出的气体中酒精含量，和转化得到的血液酒精含量通过LCD液晶屏来进行显示。
（3）通信模块。USB 接口电路的设计用来对检测到的数据信息进行转移；USART接口电路的基本功能是方便对数据信息进行调试并把测试结果为在计算机上。
（4）报警模块。当所测得的酒精浓度超过规定值时会进行一定的报警，假如所测得酒精浓度超过标定的值，则液晶屏上显示酒精浓度同时报警器启动。当酒精含量没有超标，则该模块不会被触发，液晶屏显示所测酒精浓度为零。
系统框图如3.1 所示，包含STM32 最小系统，USART 模块，电源模块，液晶显示，酒精传感器信号调理电路模块，报警电路及其他辅助电路。
此外，保障性模块包括温度检测模块和压力测试模块。由于燃料电池的环境和温度会影响到酒精气体的转化率，所以要对温度来控制，以达到较好的检测效果。检测时，如果被测者不配合（没有吹入足够的气体或者不吹气等），那么检测的结果将会不准确。大量的统计根据结果得出：人深吸气后以中等力度呼气达3 秒钟以上，此时呼出的气体就是从肺部深处出来的气体，所以系统需加入压力监测装置。当呼气压力达到一定值、并维持3 秒钟时，才对进入酒精传感器中的气体进行采样等处理。来保证采样的有效性，以确保检验测试结果的可靠性。市场需求模块，即为满足市场需求而加入的功能，包括无线打印、摄像和计算机通讯等。加入这些，可以显示测试被测者的相关身份信息。
系统软件设计主要由存储显示、温度检测、报警控制、RS-232 串口通信、酒精浓度检测组成。酒精浓度检测第一步是要AD 转化程序、软件滤波，当处理器对酒精信号采样完毕后需要对其进行数据处理，即对所有的采样点求其最大值，然后将其转化为相应的电压；温度检验测试主要是运用DS18B20温度传感器检验测试酒精传感器附近的温度，确保酒精的转化效率；报警主要是对蜂鸣器的控制，当检测到的酒精浓度大于设定的值时，控制蜂鸣器的GPIO 管脚为高电平，此时三极管导通，蜂鸣器开始发声报警；将寄存器的存储区域划分为不同的部分，将数据信息存储在规定的区域中。这一些数据信息包括呼气中酒精浓度值，检测时的温度及报警提示信息，采用μC/GUI 设计图形化显示界面，将上述的信息数据显示在液晶屏上；RS-232 串口打印输出的程序设计。因为酒精含量检测仪要求精度很高的实时数据，分别从不同酒精浓度段、不同的温度进行多次对比实验，根据对比实验数据的分析，有必要进行多次调试校对，最后将信息数据显示在μC/GUI 界面上。
根据国家质量监督检验检疫局发布的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阀值与检验》来判定是否为饮（醉）酒驾车。下表可以直观地看出我们国家对饮酒的判断标准，表中数据为血液中的酒精浓度含量。
由此可知，国家给出的酒精测试判断标准是针对血液中酒精的浓度。前文已经提到呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量呈线性关系。由于血液酒精含量与呼气酒精含量比值会随生理参数和测量条件、方法等的变化而发生较大的变化，所以血液酒精含量的计算不可以直接用呼气酒精含量乘以2100（经验BBR值）进行计算，应该要根据GA307-2001中呼出气体酒精浓度与血液酒精浓度对照表进行查表计算，否则会造成较大的偏差。呼出气体中酒精浓度与血液中酒精浓度对照表如表5.2所示：
根据上表中的数据，可知饮酒时呼气中的酒精浓度不小于0.0909mg/L，小于0.3636mg/L，醉酒时的呼气中酒精浓度大于0.3636mg/L。由呼出气体中酒精浓度与血液中酒精浓度对照表中的数据，用Matlab 软件进行拟合呼气酒精浓度与血液中酒精浓度的关系曲线，以下为Matlab 程序设计：
通过Matlab 软件进行曲线拟合，能够准确的看出呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量呈线性关系， 且能得出呼气式酒精含量与血液中酒精含量的关系式BAC = BrAC× 2219 − 3.1。根据呼出气体中酒精浓度与血液中酒精浓度对照表，能判断是饮酒驾车还是醉酒驾车。对比试验中使用的检测仪显示的是血液中的酒精含量，因而应该要依据该拟合关系式进行转换，方便进行数据的对比。[7]