指夹式酒精浓度检测仪设计与制作

2022-01-28钟雯王晓飞田雪梅金雨濛王焯

电子制作 2022年1期

钟雯，王晓飞，田雪梅，金雨濛，王焯

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京，100192）

0 引言

在2019 年统计的交通事故产生的原因中，主要有三大因素。在人为因素中，酒后驾车就是其中很突出的一个因素。据调查显示，即使在少量饮酒的状态下，交通事故的危险度也可达到未饮酒状态的2 倍左右。所以酒后驾车的检测和预防越来越受到世界各国的重视。

目前，较为成熟的酒精检测方式为呼气式酒精检测和抽血检验，由于抽血检验属于有创伤的检测方法，呼气法检测又存在检测精度的问题。近红外光谱法作为一种快速、准确、无损的检测方式,与现有的技术相比，有着广阔的发展前景。指夹式酒精检测反应灵敏，可以大大节约司机和警察的时间，防止造成交通拥堵，并且含有保存数据的功能，可以为酒驾提供证据。本项目拟采用光电检测法设计和制作出指夹式酒精浓度检测仪，从而检测驾驶员血液中的酒精含量。

1 系统总体方案

■1.1 指夹式酒精浓度检测系统设计方案

指夹式酒精浓度检测系统需要具有操作简单、便于携带、方便使用等功能,才能满足使用者的需求。测量系统主要应用近红外光谱方法检测人体内的酒精浓度,整体系统使用单片机进行控制,制作指夹式传感器进行信号采集,将特定波长的激光LED 和光电池接收器安装在指夹内,芯片控制数据采集,设计模拟信号电路提高采集数据精度,并将采集到的完整数据通过单片机进行存储。通过触摸屏可对采集到的波形进行实时显示,以及对酒精度预测结果进行显示,并且能够将被测者的个人信息进行输入。另外一个层面，采用生活中交警检查酒驾用的呼气式血液酒精检测仪测出相对应的血液酒精浓度值并且将其当作是建模方面的真值，并且和波形情况进行搭配一同供给上位机，随后经过MATLAB 搭建相应的模型，再把模型引入按到单片机里，再采用预料形式时，要把收集获得的一组参数在单片机内模型中进行计算处理，计算得出预测的血液酒精浓度数值数值，并通过串口发送到触摸屏里呈现出预料的结论。将输入的酒精真实值和采集到的波形数据进行建模,得到酒精预测模型。指夹式酒精浓度检测系统设计方案如图1 所示。

图1 指夹式酒精浓度检测系统设计方案

■1.2 无创酒精浓度检测系统预测方案

近红外光谱分析技术是一种定量的分析检测技术，主要通过近红外光线对待测样品的照射，得到待测组分对于近红外光的吸收光谱，并对其进行定量分析。在应用此种检测技术近些血液成分进行检测时，需要借助生化分析以及计算机技术。待测样品中不同组分吸光度存在差异，根据测量得到的光谱数据，与样品成分建立校正模型，从而能够通过模型对样品未知成分进行定量或定性分析。近红外光谱分析技术主要包括以下几个步骤：选择合适的待测样品；搭建测试环境，利用近红外光谱对待测物品进行检测，得到光谱数据；参考值设定，即样本真实浓度值；根据采集到的光谱数据以及其浓度真实值，通过适当方法建立校正模型；获取新样品进行近红外光谱检测；根据已经建立的校正模型对未知样品采集到的光谱数据进行计算，得到物质浓度预测值。在本文所述的测量系统中，主要预测方案是通过硬件系统多次采集不同酒精浓度状态下一段时间内人体的多个光电容积脉搏波信息，并且通过生化分析的方法同时采集人体的酒精浓度真实值，将采集到的光谱数据与对应酒精真值之间建立预测模型，此模型能够根据光电容积脉搏波信息预测得到酒精浓度的真实值。在前期使用时，为采集模式，需要采集数据，并将其存储在系统中，采集尽量多组的对应信息后，通过支持向量的方法对数据进行训练，建立酒精预测模型。根据前期的数据完成酒精预测模型的建立，在之后的使用过程中，为预测模式，无需采集酒精真值，仅采集人体的光电容积脉搏波数据，并通过预测模型对这些数据进行运算，即可得到酒精浓度的预测值，实现无创酒精检测的目的。无创酒精检测系统预测方案如图2 所示。

图2 指夹式酒精浓度检测系统预测方案

2 各硬件板块设计分析

■2.1 采集模块设计

酒精检测传感器指夹系统主要含有两个关键的器件，其中一个是集中了数据为960nm 的激光LED 发光器件，主要用来作为检验使用的光源。而另外一个是光电池收集管，主要的作用是收集经过手指的光波上存在的光强内容。

酒精检测传感器指夹系统主要是借助光电手段在活体组织中检测血液酒精浓度的一种无创检测方法。当一定波长的光照射到指端皮肤表面时，光束通过反射到达光电接收器。光电接收器光强呈波形变化，将此光强变化信号理转化成电信号，便可获得活体组织中血液的酒精浓度。

■2.2 信号处理模块设计

信号处理模块主要包括四个方面，按顺序分别是：

(1)经过专业的运放把光电池中收集管的电流转变成电压讯号；

(2)把电压讯号导入到带通过滤电路里，能够过滤掉高频率的噪音以及低频率的扰乱讯号，只保存一些通过脉搏生成的讯号频率；

(3)把电路放大，再把只有的mV等级的讯号提升到V级；

(4)把含有负电压讯号的波形完整的提升到高于0V，来方便通过ADC 实行收集。

■2.3 中央处理模块设计

在这里选择的关键的CPU 的型号为STM32F103，这块单片机用来针对参数实行管理、相连同时操控每一个功能部分，采用I/O 端口来操控激光LED 的形态，通过采用ADC 通道对于讯号实行收集，根据串口来把触摸屏与电脑进行相连。

■2.4 交互系统模块设计

在交互模块中，主要是把触摸屏当作核心，在屏幕里呈现显示体系的运转情况，还有呈现操控指引与操控按键，使用者能够经过触摸屏来对设施实行操控，随后来完成预料、收集等功能。并且在对设施实行调节的时候能够采用检测的功能，来便于对设施进行调节。图3 为整体结构原理图。

图3 整体结构原理图

3 各软件板块设计分析

■3.1 单片机总体流程

串口屏通过串口将指令发送到ARM，通过识别协议的首位的值，选择将要执行的程序。预测模式表示输入测量值，根据已有的样本数据通过最小二乘法拟合的曲线，得出预测值并显示。采集模式中，开始采集后屏幕实时显示脉搏波波形，采集完成后，通过键盘输入由呼气式酒精检测仪测得的酒精浓度值，并传回单片机。也可通过屏幕对数据进行保存或删除操作。输入酒精浓度值时首先要根据协议判断输入的位数，再判断小数点所在位置。

■3.2 串口屏幕设计

我们所采用的单片机的波特率为115200，所以我们将屏幕的波特率也设置为115200，与单片机保持一致，以保证单片机与屏幕的通信不会出现问题。如图4 所示为触摸屏屏幕按钮结构图，为触摸屏的主界面上，只有采集模式和预测模式两个按键。在采集模式的界面中，可以进行数据波形的显示，并且可以将结果发送到单片机和上位机中去。还可以进入真值输入界面，在真值输入界面我们可以输入相对应的真值，并且可以进行数据的保存与删除。在预测模式的界面，可以使用一键预测血液酒精浓度值的功能。图5 指夹式酒精浓度检测仪实物图。