【正文】 ........... 22 传感器测试 ............................................................................................ 22 充电电路测试 ........................................................................................ 22 报警电路测试 ........................................................................................ 23 系统整体调试 ........................................................................................ 23 调试结果分析 ................................................................................................... 23 测试数据 ............................................................................................... 23 误差分析 ............................................................................................... 23 调试中的问题及解决方案 ................................................................................. 24 6 结论 ......................................................................................................................... 25 参考文献 ........................................................................................................................ 26 致 谢 ........................................................................................................................ 27 声 明 ........................................................................................................................ 28 附 件 ........................................................................................................................ 29 第 1 页 共 31 页 1 引言 课题研究背景及意义 据统计， 2020 年我国共生产了白酒约 1026 万吨，排除重复统计的数据，实际的消费量为 800 万吨。如果把消费群体定位在 15 岁以上的成人，当时我国约有 亿 15 岁以上的成人，那么可以计算出当时我国成人人均消费的白酒为 升。另外，还有啤酒，洋酒，红酒的消费，当时我国人均消费的啤酒约为36 升、洋酒约为 升、红酒约为 升。如果按照白酒的酒精含量 65%、红酒的酒精含量 10%、洋酒的酒精含量 40%、啤酒的酒精含量 4%来 计算，那么当时我国人均纯酒精消费量约为 升。但是随着我国的经济快速发展，人们的生活、消费水平也逐渐提高，酒精的消费量也再快速的增长，由于饮酒过多而造成的社会安全问题也频频发生。比如由于酒驾引起的交通事故等等。 当酒精在人体血液里达到一定 浓度的时候，会导致驾驶者神经麻痹、触觉能力降低、判断能力和操作能力也会降低。并且会使驾驶员视力暂时受损，分辨颜色的能力下降，视像不稳等，这些症状会使驾驶者不能发现 或 正确领会标志、标线、交通信号灯所要表达的意思，在这种情况下，驾驶员几乎失去了驾驶能力，发生交通事故的概率极限增加。据世界卫生组织调查，由于酒后驾车造成的交通事故的数量非常庞大，大约占所有交通事故 的 50%— 69%，而且由酒驾造成的交通事故后果一般都非常严重，所以酒后驾车已经被认为是车祸致死的主要原因。在中国，每年都有数万起交通事故是由于酒后驾车而造成的，因此交通事故的第一“杀手”被认为是酒后驾车。 国内外研究现状 目前，电化学性质的酒精检测仪在全世界是使用得最多的。酒精检测仪 根据显示方式 的 不同主要分为两种：其中一种是发光管显示。 最常见 的发光管显示是三段式显示，其中未饮酒区为第一段，饮酒区为第二段，酗酒区为第三段。并且每一段都有一个不同颜色的 LED 灯，根据测试的结果，来点亮对应那一段的 LED指示灯。另一种酒精 测试仪是数码管显式，它是以数字的形式来显示检测的结果。而这两年出现了一种新型的半导体酒精检测仪，它就是一种拥有高可靠性、高精度、呼吸式等特点的酒精浓度检测仪 ca2020。新型高科技微变氧化物半导体是它的核心部件，可以非常 准 确的检测气体的酒精含量，而且不会受非酒精类气体的干扰，比如烟味、可乐、咖啡等等。 ca2020 拥有 小巧轻便，操作简单等特点，所以它是便携应用的最佳选择 [1,2]。 如果驾驶员喝了酒，那么他呼出的气体中就含有酒精气体，所以为了检查酒驾，便携式的酒精检测仪得到了交警的广泛使用。而目前使用的酒精检测仪检测 第 2 页 共 31 页 驾驶员是否饮酒只能够初步的判断，最终还需要通过血检来检测驾驶员体内的酒精含量，来判定驾驶员是不是构成了酒驾。为了检测更方便，一种超级酒精呼吸检测仪诞生了，它是由英国内政部推出的。这种酒精检测仪不仅仅是通过驾驶员体内的酒精含量来判断驾驶员是否酒驾，它还根据驾驶员的体温，呼吸频率等多方面的因素当场判断驾驶者是否酒驾 [3]。 受 20 世纪信息技术快速发展的影响，传感器技术已经发展到 了一个非常高的地步了，在各个领域都得到了广泛的使用，扮演着非常重要的角色。因此酒精浓度检测仪应该向着高精度，高可靠性，高稳定性与微型化的方向发展。 到目前为止，检测酒精气体含量的设备主要分为 5 种类型，它们分别是：燃料电池型（电化学）、气体色谱分析型、比色型、半导体型和红外线型。其中燃料电池和半导体型这两种类型的酒精含量检测仪在价格这方面比起其他类型的较便宜，而且使用起来非常方便。所以这两种类型的酒精含量检测仪使用得比较多。 环保型能源燃料电池可以直接把可燃气体转变为电能，而在整个过程中却不产生污染，所以全世 界都在广泛的研究。而酒精传感器只 是研究 燃料电池 的 一个小小的分支。因此燃料电池型酒精传感器诞生，它的原理是：使用贵金属铂金作为电极，在燃烧室内燃烧酒精，在燃烧的过程中使用了特种催化剂，使酒精充分燃烧。并且转变成电能，也就是在两个电极上产生了电压，由此转换来的电压与在燃烧室内燃烧的气体的酒精浓度是成正比的，在外部通过接入负载来消耗电能[4,5]。 燃料电池型酒精浓度检测仪与半导体型的相比，它具有 以 下几个优点 1) 稳定性好 2) 精度高 3) 抗干扰能力强的优点 但是燃料电池型酒精传感器也存在一些致命缺点，比如说在制造过程中对传感器的结构要求非常精密，制造难度非常大等。所以目前能够生产燃料电池型酒精传感器的只有少数几个国家，比如美国、英国和德国等，再加上制造成本高，所以成品的价格较贵，与半导体型酒精传感器比起来贵几十倍。所以在日常生活中用得最多的还是半导体型酒精传感器 [6]。 课题研究思路 伴随着单片机（ MCU）技术的快速发展和日益完善，单片机在我们的日常生活中已 经 是屡见不鲜了，我们将它应用于各个领域。从智能控制到监测方面，与其他技术相比，单片机的优越性是非常的明显。 本课题研究的是一种以 酒精浓度 传感器和 STM32 单片机为主， 对 空气 中的 酒精浓度 值进行检测 ， 并且将浓度 第 3 页 共 31 页 值通过 LED 显示屏 显示 出来，最终对超过阀值的浓度值进行 声光报警 。 其可 检测出人体呼出的气体和空气环境中的酒精浓度 ,只要浓度值大于 阈值 就 进行声光报警 ，这个 阈值 是 根据 要求和 环境 的不同来 设定的。 在本课题设计中使用 MQ3 酒精传感器采集 数据 ，它将采集到的信号转换为电信号，电信号经过处理后传给 STM32 单片机， STM32 单片机内嵌有 A/D 转换器，它将电信号转换成数字信号，然后 STM32 单片机 再对数字信号进行分析处理，转换为酒精浓度值，最后通过显示屏将浓度值显示出来。在程序编写的过程中设置了一个阀值，当被检测空气中的酒精浓度值大于阀值时，单片机会控制LED 灯亮和蜂鸣器响来实现报警的功能。 综上所述，本课题研究的主要思路是：以空气中酒精浓度为感知量，设计 酒精气体传感电路，传感器负责采集信号，然后将采集的模拟信号经过 A/D 转换器，转换成数字信号后，再由单片机分析处理转换成浓度值以完成空气中酒精浓度的测量。 如果 浓度值 大于 了 阀值 ，就 进行声光报警。 2 系统方案设计 技术指标 中国大陆地区血液中酒精浓度（ BAC）与呼气酒精浓度（ BrAC）的比值采用 2200，即两种单位之间的换算关系为 BAC=BrAC*2200。判断是否酒驾以及醉驾的标准如表 21 所示： 表 21 是否构成酒驾或醉驾参考标准 行为类别 血液酒精含量（ BAC） 呼气酒精含量（ BrAC） 饮酒驾车 醉酒驾车 报警浓度 根据酒精气体浓度检测仪的测量结果，来看结果是落在哪个区域，从而判断驾驶员是否酒驾。同时判断是否报警。 总体设计方案 总体设计方案如图 21 所示，由 MQ3 酒精气体 传感器负责采集数据，采集的信号通过调理电路处理后，再输入给单片机，单片机内嵌的 A/D 转换 模块对其进行转换，转换后变成数字信号，然后单片机再对数字信号进行分析处理转换成酒精浓度值，再通过显示屏将浓度值显示出来。同时将酒精浓度值与阀值进行比较，对于超过阀值的进行声光报警。 第 4 页 共 31 页 3 硬件电路设计 元器件选择 酒精气体传感器 1)MQ3 传感器工作原理 MQ3 酒精气体传感器中使用了气敏材料二氧化锡，该传感器是半导体气敏元件。它的电导率会根据空气中酒精气体浓度的不同而 不同 ，酒精气体的浓度越大，电导率也就越大。那么它输出的电压值就会随着酒精浓度的增加而增大 ｡在外部使用简单的电路就可以通过电压值的变化将电导率的变化表现出来，并且该电压值是与酒精气体浓度值相对应的，最后将该信号与预先设定的阀值进行比较，如果大于阀值就进行报警 [7]。 2)传感器的管脚分布及外形 MQ3 酒精 气体传感器 由以下几部分组成 ： (1) SnO2 敏感层 (2) 微型 AL2O3 陶瓷管 (3) 加热器 (4) 测量电极构成的敏感元件 它被固定在不锈钢或塑料制成的腔体内，由于传感器工作前必须要预热，所以它的内部有一个加热器专门用来加热传感器。封装好的 MQ3 酒精气体传感器有 6 只针状管脚，读取信号的引脚有 4 个，另外 2 个引脚专门提供电流来加热传感器。 MQ3 的管脚分布如图 31 所示， A 脚和 B 脚是用来读取信号的；提供加热电流的是 2 个 f 引脚，电阻丝的阻值为 30Ω，当 电流经过电阻丝时，电阻丝会被加热。 MQ3 的 引脚分布 如图 32 所示。 酒精气体传感器 单片机 声光报警模块 液晶显示模块 图 21 总体设计方案 框架图 信号调理模块 第 5 页 共 31 页 图 31 MQ3 的 引脚 图 32 MQ3 传感器实物图
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