基于电化学酒精传感器的高准确度酒精浓度测试仪设计*

朱海华

(南阳师范学院计算机与信息技术学院，河南南阳473061)

根据国家质量监督检验检疫局发布的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》(GB19522—2004)中规定，驾驶人员每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为饮酒后驾驶;每100 mL血液中酒精含量大于或等于80 mg为醉酒驾驶。因此设计基于电化学酒精传感器的高准确度酒精浓度测试仪以满足大范围现有的和潜在的市场需求。

1 结构设计

呼气式高准确度酒精测试仪主要由电化学酒精传感器、电流模/电压模转换电路、温度传感器、压力传感器［1］、87C552单片机、LCD显示屏和扬声器等部件构成，如图1所示。

图1 高准确度酒精浓度测试仪结构

2 器件选择

2.1 酒精传感器

酒精传感器主要包括半导体型酒精传感器和电化学酒精传感器(又叫燃料电池型酒精传感器［2］)。电化学酒精传感器是在其燃烧室内有特种催化剂，这种催化剂能且只能使进入燃烧室内的酒精气体充分燃烧转变为电能输出，即选择针对性强，对其它非酒精气体不产生任何反应，如口臭、烟油、饭菜味，水蒸气基本上对酒精传感器的输出没有影响;半导体型酒精传感器，其阻值变化与温度以及非酒精气体的浓度都有关系。电化学酒精传感器响应时间约0.5 s，其响应时间不随着器件的老化而变化;全新的半导体型酒精传感器的响应时间最快约5 s，用一段时间后其响应时间将逐渐变长，约半分钟。电化学酒精传感器输出电流的高低与吸入燃烧室内酒精气体的浓度成正比，其计量准确性很高，只不过电化学酒精传感器转换率受燃料电池的环境温度影响;半导体型酒精传感器，其阻值变化与温度以及非酒精气体的浓度都有关系，测量时只能限制而无法排除其他气体对测试结果是否有干扰及其干扰程度，而且当酒精浓度过高或过低时，测试结果误差会更大。

这里选择使用电化学酒精传感器构造呼气式高准确度酒精测试仪，通过检测电化学酒精传感器输出电流的高低来计算驾驶员呼出气体的酒精浓度值。ME3-C2H5OH［3］/ME3A-C2H5OH 型［4］电化学酒精传感器根据酒精在电解池中工作电极电位上的电化学氧化原理工作，待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测定输出电流的大小就可以确定待测气体的浓度，浓度线性特征曲线图如图2所示。ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型电化学酒精传感器灵敏度12 μA/(mg·L)，量程为 0 ～1.000 mg/L)［3-4］。

图2 浓度线性特征曲线图

2.2 温度传感器

鉴于电化学酒精传感器转换率受燃料电池的环境温度影响，温度与信号比率的对应关系图如图3所示，20℃左右时信号比率为100%。电化学酒精传感器的环境温度控制在恒定在20℃的温度理想条件下效果最佳，如果使用加热电路和温度传感器测温，实现起来比较困难。不过，图3的相关数据是在实验环境测试过程中得到的，因此可以设计在单片机87C552自带的数存中有序存放所有环境温度(精确到小数点后一位)下对应的信号比率关系表。只需要使用温度传感器测量ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型电化学酒精传感器的环境温度x(℃)，在单片机数存中快速查找其对应的信号比率为y(%)。ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型电化学酒精传感器输出电流为z(μA)，环境温度x(℃)时实际输出电流为(μA)，实际输出电流为与环境温度x(℃)时信号比率为y(%)的关系如式(1)所示。

图3 温度与信号比率的对应关系图

2.3 电流模转电压模电路

通常的模/数转换器(ADC)是电压模模/数转换器，即将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型电化学酒精传感器输出的是微电流，设计电路将微弱电流模转换为电压模(如图4所示)，然后再使用电压模模/数转换器。

图4 微弱电流模转电压模电路图

一般情况下，呼出气体中的酒精浓度和血液中酒精浓度的比例是2100∶1［5］，即每2 100 mL 呼出气体中含有的酒精和1 mL血液中含有的酒精在量上是相等的。因此，要想测出每100 mL血液中酒精多少毫克，根据ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH型电化学酒精传感器的量程，需要将输出的微电流精确到nA级甚至pA级。一般的电流模转换电压模电路不够精确。这里选择高输入阻抗差分运算放大器，可以很好的解决被测信号很微弱且共模干扰很高的问题，同时具有高增益、高共模抑制比和高输入阻抗的电路特点［6］。如图4所示。运放U4、U5接成比例运算电路形式，电路结构对称，外围电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压和失调电流等相互抵消，以提高电路的放大倍数、共模抑制比和测量精度等。运放U6采用非反相闭回路放大器的电路，提供高增益电压放大，且保持与电流方向一致。

输出电压与输入电流的关系如式(2)所示:

假设最大输入电流为 12 μA、采样电阻R1=1 kΩ、反馈电阻R2=R4=20 kΩ、R3=40 kΩ、R5=49.1 kΩ、R6=10 MΩ，可计算出Vout=4.912 V。通过电流模转换为电压模转换电路得到了与输入电流成正比的输出电压信号。

电化学酒精传感器采集的微电流信号在经过处理后，信号的电压幅度范围都在0～5 V之间，满足模/数转换器的信号输入范围［7］。

3 硬件电路设计

由电化学酒精传感器(仿真时使用的是Proteus里的直流电流源CSOURCE)、温度传感器(SHT10)、87C552单片机、LCD显示屏(LM016L，可显示2行16列英文字符，有8位数据总线D0～D7，RS、R/W、EN 3个控制端口，工作电压为5 V)、扬声器(Speaker)、红色发光二极管(LED-Red)以及电流模转换为电压模电路等构造呼气式高准确度酒精测试仪。综合各模块工作电源和便于携带，总供电电源采用9 V充电电池供电，采用相应的电压转换电路满足各模块不同电压要求［8］。仿真电路如图5所示。仿真时直接提供了相应的工作电压。

图5 硬件电路图

4 软件设计

加电启动该设备，初始化87C552单片机，进入呼气准备阶段，当呼气压力达到规定值(ME3-C2H5OH/ME3A-C2H5OH的压力范围为86 kPa～106 kPa［3-4］)，认定此时气体符合采样标准，若气压达不到要求则扬声器报警，受测试人员需重新呼气，直到满足要求为止［9］。触发电化学酒精传感器采集酒精含量，触发温度传感器采集电化学酒精传感器的温度。微弱电流模转电压模块将电化学酒精传感器产生的微弱电流转换成电压，再送给87C552单片机的ADC0进行模数转换。温度传感器采集的温度送至87C552单片机，查询存储于87C552单片机内部存储器的温度与信号比率关系表，得到该温度下电化学酒精传感器的信号比，由单片机计算在当前环境温度下的正确的酒精含量并显示。测试结果与相关规定比较大小是否报警，即是否违法(酒后驾驶和醉酒驾驶)。工作流程如图6所示。

5 仿真测试

一般情况下，呼出气体中的酒精浓度和血液中酒精浓度的比例是2 100∶1，即每2 100 mL呼出气体中含有的酒精和1 mL血液中含有的酒精在量上是相等的。当前温度设定3℃，模拟输入微电流1.16 nA时，由仿真电路运行，系统程序执行后先后显示当前实际温度(如图7所示)和血液中酒精浓度(如图8所示)。且此时红色发光二极管(LEDRed)发亮，扬声器(Speaker)报警。经仿真性能稳定，结果可靠。

图6 工作流程

图7 仿真显示当前温度

图8 仿真显示血液中酒精浓度

6 总结

基于电化学酒精传感器的高准确度酒精测试仪具有针对性强、响应速度快、准确度高等优点，电路设计合理，体积小，针对性强，响应速度快，准确度高，适用于警用及汽车驾驶员测试饮酒情况，也可用于一定环境的酒精浓度监控。随后的研究将结合指纹技术，增加存储设备，实现采集结果一一对应，以杜绝个别司机事后不承认检测结果。结合无线Wi-Fi直连技术和Wi-Fi直连打印机，实现无线打印。

［1］顾伟军，史晓东，彭亦功.基于电化学原理的燃料电池型酒精传感器技术与设计［C］//第八届工业仪表与自动化学术会议论文集.2007:375-379.

［2］陈继德.基于PIC16F877呼气式酒精测试仪的设计［J］.中国仪器仪表，2005(1):77-79.

［3］ME3-C2H5OH电化学酒精传感器［EB/OL］.http://www.winsensor.com/China/product/ProductsList/035111201111.shtml.

［4］ME3A-C2H5OH电化学酒精传感器［EB/OL］.http://www.winsensor.com/China/product/ProductsList/033411201108.shtml.

［5］虞力英，马庆，邹永良.呼出气体酒精测量的生理学问题［J］.公安大学学报:自然科学版，2001(4):11-17.

［6］陈海峰.微弱电流/电压转换电路的设计与仿真［J］.上饶师范学院学报，2008，28(6):39-42.

［7］谭秋林，许姣，薛晨阳，等.基于C8051F040酒精浓度测试仪的研究［J］.传感技术学报，2009，22(10):1378-1381.

［8］张震宇.基于SPCE061A的智能化酒精浓度检测器设计［J］.电子器件，2008，31(2):738-742.

［9］熊业攀，李仁旺，朱泽飞，等.基于ARM和MiniGUl的呼气式酒精测试仪研究［J］.计算机测量与控制，2009，17(8):1667-1670.