【簡易酒精濃度測量系統(tǒng)設(shè)計15000字（論文）】

簡易酒精濃度測量系統(tǒng)設(shè)計摘要經(jīng)過近幾個世紀的發(fā)展，使得越來越多的家庭可以擁有自己的私家車，而由于中國本身有著十分深厚的飲酒文化，使得酒駕現(xiàn)象成為非常嚴重的問題，因為酒駕產(chǎn)生的事故也日益增多。為了防止并杜絕酒后駕駛的行為，國家出臺了新的交通規(guī)則以及其他相關(guān)的措施，宣傳酒后駕駛的危害，并且不定時會在關(guān)鍵路段設(shè)置人為檢查酒駕行為的路卡，對有酒后駕駛，醉酒駕駛行為的駕駛員進行處罰。但是由于人力資源始終有限，能夠檢查出來的酒駕行為并不能根治駕駛員酒駕存在有僥幸心理，為了解決這一現(xiàn)象，需要從根本上解決駕駛員酒駕的問題，設(shè)計一款當駕駛員進入就對駕駛員進行呼出酒精濃度檢測的車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：呼氣酒精檢測STM32F103ZET6MQ-3ME3A-數(shù)據(jù)融合技術(shù)目錄摘要 第1章緒論1.1選題背景與意義在時代發(fā)展以及我國各方面快速發(fā)展的時代背景之下，中國家庭對買車的需求逐漸增大，車輛作為一種方便快捷的載具逐漸成為了各個家庭的重要商品，中國汽車保有量也逐年提升。隨著人們擁有汽車的數(shù)量逐漸增加，以及本身酒精飲料相關(guān)的飲品在我國早已足夠普及，使得酒后駕車造成的事故屢屢發(fā)生，雖然交通管理部門通過對交通法律的修改和完善加大了對酒駕的懲罰力度，但是由于查處酒駕需要交警在路上逐一檢查，依然無法避免部分人會存在僥幸心理知法犯法，導(dǎo)致即使在交通處罰辦法更加嚴格，“喝酒不開車，開車不喝酒”的標語普及甚廣的環(huán)境下，也無法完全杜絕酒駕造成的事故發(fā)生，因為酒后駕車造成的嚴重事故，使得駕駛?cè)说募彝ヒ约耙驗榫坪篑{車受到傷害的家庭都受到了不可估量的經(jīng)濟損失據(jù)統(tǒng)計，全部交通事故的40%左右都是由于酒后駕車造成，即便已經(jīng)出臺相關(guān)政策避免駕駛員知法犯法，但是形勢依然極其嚴峻，而夜晚查處的酒駕最多，夜晚由于視野狹小本身就需要駕駛員提高注意力駕駛，時刻觀察道路環(huán)境，夜間駕駛時飲酒更是讓駕駛員以及過往行人置于危險之中，因此，通過何種方式才能夠杜絕并且預(yù)防酒后駕車成為了非常重要的研究目標，也是交通管理部門一直以來需要攻克的難題之一。駕駛員狀態(tài)不佳有很大程度都是由于酒后駕駛和疲勞駕駛，而酒后駕駛則是關(guān)鍵中的關(guān)鍵，正因為如此，酒后駕駛會造成的交通事故成為了大部分交通事故當中占比最高的一部分，世界各國都緊密關(guān)注并跟進此類事故的防范。對多國的調(diào)查結(jié)果進行查閱得出，酒后開車引起的事故數(shù)量遠遠超出其余交通事故總量。以世界衛(wèi)生組織調(diào)查結(jié)果為準進行分析可以得出部分結(jié)論，酒后駕駛與大部分交通事故有關(guān)其占比甚至可以高達70%左右。根據(jù)研究得出，酒精的攝入會影響到飲酒人的社會認知功能的損害，很久以來，從事相關(guān)領(lǐng)域的科研工作人員，尤其是國內(nèi)的相關(guān)研究人員將重點放在抑制控制這一方面，多數(shù)學(xué)者認為，酒精攝入的同時會產(chǎn)生一定的抑制功能受損現(xiàn)象，而由于抑制功能受損而產(chǎn)生的攻擊以及暴力行為的直接原因就是飲酒人的過量攝入酒精。根據(jù)實驗的結(jié)果得出了高濃度酒精對個體的認知控制能力有著顯著的影響，在高濃度酒精的不斷作用下，個體的反應(yīng)時間將會不斷延長，正確率也會相應(yīng)的顯著降低。這也是導(dǎo)致在酒后駕車更加容易產(chǎn)生惡性交通事故的直接原因之一。酒精在被人攝入之后，雖然酒精進入人體之后會被人體內(nèi)部的臟器以及器官吸收部分酒精，然后再通過體表以及呼吸行為正常排出一部分酒精，但是酒精依然還會進入血液和人體內(nèi)循環(huán)，人體血液循環(huán)的功能會使酒精進入人體組織進行相應(yīng)的反應(yīng)，如在肝臟位置，酒精就會被分解為CO2、H2O、C隨著檢測系統(tǒng)以及相應(yīng)的基礎(chǔ)學(xué)科飛速發(fā)展，依靠傳感器檢測手段功能的產(chǎn)品源源不斷的進入人們的生活中，靈活運用傳感器的性能可以生產(chǎn)出不同功能的產(chǎn)品。各式各樣的產(chǎn)品被應(yīng)用在各種情況下中來達到檢測的目的。同時，由于傳感器存在誤差，所以為了取得更加準確的數(shù)據(jù)，需要設(shè)置多個傳感器，采取多個樣本，通過比對數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合，將已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理之后，才能得到一個較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)再用來判斷駕駛員是否在開車前已經(jīng)飲酒，將會有效得多。在我國關(guān)于駕駛員酒后駕駛違法條例的不斷更新以及對此類行為的嚴厲打擊下，雖然因為酒后駕車導(dǎo)致的事故已經(jīng)明顯變少，但是由于缺乏合理有效的預(yù)防政策，往往在處罰開始的時候造成的損失已經(jīng)出現(xiàn)，因此，需要設(shè)計一款能夠在開車啟動時就對駕駛員進行飲酒檢測，以國家現(xiàn)行的交通法規(guī)作為判斷標準，并且立刻提醒駕駛員切勿酒后駕車，用來預(yù)防酒后駕車造成事故的車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外酒精檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)1.2.1國外研究現(xiàn)狀20世紀末，在歐洲出現(xiàn)并且投入使用一種專門用于檢測駕駛員是否存在酒駕行為的呼氣式酒精濃度分析儀，該儀器成為了第一個酒后駕駛檢查儀器。隨著傳感器的完善，更是出現(xiàn)了通過審視車輛行駛時擺動方向的范圍來判斷駕駛員是否在飲酒后駕駛的檢測系統(tǒng)，并且在判斷飲酒后可以進行報警?，F(xiàn)今的酒精檢測裝置種類繁多，可以運用于不同的檢測環(huán)境，但是由于使用場地限制以及其性價比程度不同，導(dǎo)致并不泛用，需要設(shè)計一款擁有高可靠性的酒精檢測裝置。根據(jù)對國外調(diào)查的資料顯示，瑞典曾研發(fā)出了一款擁有車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)鑰匙，當駕駛員試圖用車輛遙控器上所帶有的“開門”按鈕時，酒精濃度傳感器會自動啟用，需要駕駛員對預(yù)置的小型吹管吹氣，讓空氣通過吹管進入傳感器中的反應(yīng)室，產(chǎn)生檢測數(shù)據(jù)結(jié)果之后，進行邏輯判斷，并輸出信號，顯示檢測結(jié)果，若結(jié)果符合駕車標準，則可以啟動車輛；若結(jié)果并不符合駕駛標準，則車輛會無法啟動。日本豐田研發(fā)并開發(fā)了一款“酒精連鎖裝置”的車內(nèi)酒精濃度檢測裝置，在自動檢測車內(nèi)酒精氣體含量之后進行判斷并且與預(yù)設(shè)的酒精濃度標準相比較，如果有檢測出濃度較低濃度的酒精氣體，將會通過揚聲器對駕駛員發(fā)出警告，若檢測結(jié)果大于預(yù)設(shè)的酒精濃度范圍，則會直接將車輛鎖死，無法發(fā)動。該系統(tǒng)也與日產(chǎn)自行研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)進行整合，可以達到密切監(jiān)視車輛的目的。并且在某個概念車款型中提出，在車的手剎、座椅等地方安裝對應(yīng)的傳感器，從各個角度對駕駛員進行檢測，并可以通過駕駛員體表的汗液等體液進行檢測，以避免檢測不準等原因?qū)е埋{駛員即使飲酒了依然可以駕駛車輛的可能，并且通過對駕駛員閉目的時間的監(jiān)控以及駕駛過程中車輛偏移角度的大小，判斷出駕駛員是否擁有飲酒行為，如果發(fā)現(xiàn)駕駛員飲酒駕駛或者疲勞駕駛等危險駕駛行為，將會通過揚聲器對駕駛員進行示警并根據(jù)情況使車輛停車，預(yù)防更大的事故發(fā)生。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)大多數(shù)采用的是靈敏度較高和穩(wěn)定度適中的警用酒精濃度測量儀測量，并且以此來衡量是否屬于酒后駕駛。此類設(shè)備所采用的酒精濃度檢測傳感器是用了比較先進的傳感器類型，這種傳感器一般原理是通過傳感器內(nèi)置的材料與被測氣體進行反應(yīng)產(chǎn)生電流來達到檢測呼出氣體中是否存在酒精氣體的目的。運用大規(guī)模的集成電路進行數(shù)據(jù)處理的同時，還使用了較為完善的SMT封裝工藝，能夠在很大的溫度浮動范圍內(nèi)正常工作并且保持在低誤差的狀態(tài)，操作簡單存儲量大，且能夠上傳至電腦，但成本依然較高，同時需要額外抽調(diào)警力安排檢查效率較低。本文的主要目的為，通過研發(fā)檢測裝置，對酒后駕駛這一違法行為進行預(yù)警，實時監(jiān)控司機狀態(tài)，并且對企圖繼續(xù)酒后駕車的司機發(fā)出警告。1.3酒精系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題在判斷是否有酒駕行為時需要參考參考我國對酒后駕駛的法律定義和規(guī)定，設(shè)計出一款能夠?qū)︸{駛員血液酒精含量進行采集，處理，顯示，報警的便攜式車載裝置，避免人為檢查的低效，節(jié)省因為安排專項檢查而使用的人力和物力。利用傳感器和處理器的相結(jié)合，解決數(shù)據(jù)的不確定性，使得數(shù)據(jù)更加精準，更加可靠。并且利用多個傳感器融合，解決并避免由于環(huán)境影響導(dǎo)致的不準確。本課題的研究目標是設(shè)計一款擁有自動檢測迅速、顯示檢測數(shù)據(jù)、價格便宜實惠的車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)，擬采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的相關(guān)技術(shù)用于解決傳感器可能產(chǎn)生的識別不到位，識別不靈敏等問題。第一章為緒論部分，主要闡述車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)的研究背景、意義。分析國內(nèi)外酒精濃度檢測裝置的優(yōu)缺點，檢測方法。第二章主要研究設(shè)計車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)的基本方案以及對應(yīng)的分析，核心內(nèi)容的解釋。第三章主要研究多個傳感器特點以及信息融合技術(shù)的應(yīng)用，分析信息融合技術(shù)的處理方法，選擇合理的傳感器進行處理。第四章主要是系統(tǒng)的整體設(shè)計以及信息融合技術(shù)在系統(tǒng)中擔當?shù)穆毮芎头治?。第五章主要是思考環(huán)境因素等多種情況可能對實驗結(jié)果造成的影響。第六章是對全文工作內(nèi)容的總結(jié)歸納，并提出該系統(tǒng)存在的不足以及需要提升進步的方面。第2章總體方案本章從需求分析入手，確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。2.1車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)裝置需求分析國內(nèi)目前采用使用呼氣式酒精檢測，這種檢測方法需要半導(dǎo)體材料參與，采用的是二氧化錫半導(dǎo)體，這種半導(dǎo)體導(dǎo)電率較低，氣敏性較好，半導(dǎo)體材料遇到被檢測氣體的濃度或者質(zhì)量發(fā)生變化時，這種半導(dǎo)體的電阻就會發(fā)生對應(yīng)的變化，大部分情況下，酒精氣體濃度越高半導(dǎo)體自身電阻會越低，會檢測到更大的電流。因為不同氣體的化學(xué)及物理特性各有不同，所以，該種傳感器在遇到不同的氣體時，其靈敏度是不同的，并且，在不同溫度調(diào)教下，該種傳感器也會擁有不同的靈敏度。在使用此類傳感器時，需要在酒精濃度檢測系統(tǒng)的內(nèi)部使用熱敏電阻進行補償，在進行補償過后，系統(tǒng)內(nèi)部溫度會使得檢測環(huán)境重新滿足半導(dǎo)體傳感器的最佳運行溫度，保持這一溫度不變就可以讓半導(dǎo)體傳感器的靈敏度始終在最佳位置進行檢測，這可以大大提高不同環(huán)境下酒精濃度檢測裝置的穩(wěn)定性和靈敏性。其中一種為燃料電池型酒精傳感器，這種傳感器內(nèi)置的氣敏元件內(nèi)置的物質(zhì)會與酒精發(fā)生反應(yīng)，表觀的結(jié)果為產(chǎn)生電壓差，以其反應(yīng)結(jié)果作為衡量標準。電化學(xué)酒精傳感器使用貴金屬作為電極材料，比如使用白金，白金即為鉑，化學(xué)性質(zhì)不活潑，在空氣和潮濕環(huán)境中穩(wěn)定。在電化學(xué)酒精傳感器的燃燒室內(nèi)填充有擁有一定化學(xué)性質(zhì)的填充物，與被檢測的目標氣體接觸后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并電解出電子，從表觀上產(chǎn)生電能，這一過程會導(dǎo)致產(chǎn)生電位差，會產(chǎn)生電能通過外接負載造成損耗，此時就可以根據(jù)電壓與進入反應(yīng)室內(nèi)的酒精濃度對應(yīng)關(guān)系推算出呼出氣體的酒精濃度，電化學(xué)型酒精濃度檢測裝置的基本工作原理就是通過反應(yīng)產(chǎn)生的電壓和電流變化推算出呼出氣體中的酒精濃度。電化學(xué)型的酒精濃度檢測裝置內(nèi)的填充物只與酒精氣體發(fā)生反應(yīng)，所以任何其他非酒精的氣體不會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，而且傳感器本身對酒精氣體的濃度十分銘感，即使被檢測的氣體中的酒精濃度含量相當?shù)?，它的兩級也會產(chǎn)生一定程度的電壓差，所以與半導(dǎo)體酒精濃度檢測裝置相比，精度更高，穩(wěn)定性更好，抗干擾能力更強，這類傳感器唯一的缺點在于在設(shè)計時，這類傳感器較為精密，在生產(chǎn)過程中有很多困難需要克服，目前只有國外少數(shù)幾個國家擁有此類傳感器的生產(chǎn)技術(shù)，這導(dǎo)致此類傳感器價格不菲，無法大面積生產(chǎn)使用。而如果僅僅采用傳統(tǒng)單片機負責處理檢測結(jié)果的話處理速度較慢，比如某些單片機在處理前需要預(yù)熱足足40多秒的時間，恢復(fù)時間也要30秒之久。對于環(huán)境溫度的要求則更加嚴格，超出規(guī)定的范圍時會產(chǎn)生相當大的誤差，使得工作十分不便，另外由于電路內(nèi)部的問題，在重復(fù)檢測過程中會產(chǎn)生較大的測量數(shù)值誤差波動，這導(dǎo)致無法準確的測量出所接觸氣體中的酒精濃度含量。因此，傳統(tǒng)的單片機酒精濃度檢測裝置會使得工作難以進行，無法作為檢測濃度的儀器使用，如果使用STM32負責處理實驗數(shù)據(jù)則會有所不同，STM32的處理速度較快，相比于傳統(tǒng)單片機其預(yù)熱速度很短，在幾秒內(nèi)就能完成預(yù)熱，而且對溫度的要求很低。使用基于對使用環(huán)境的要求相對較低，符合設(shè)計需要的性價比高，可靠性好，靈敏度高抗干擾能力強的特點。因此，STM32型的燃料電池酒精濃度檢測裝置有非常大的研究意義，本課題研究將會促使燃料電池酒精含量檢測儀器的性價比有效提升，并且可以有效控制駕駛?cè)藛T在飲酒后繼續(xù)駕駛車輛的違法行為，為增加道路安全提供有效保障。2.3數(shù)據(jù)融合技術(shù)簡介所謂數(shù)據(jù)融合技術(shù)，就是在計算機按時序獲得的信息的基礎(chǔ)上，通過對應(yīng)的算法和判斷，綜合比較處理之后，可以達到產(chǎn)生一個由使用者設(shè)定要求的信息處理報告，這個報個可以為使用者或者是有需要的人提供事態(tài)判斷，環(huán)境判斷的方法。2.3.1數(shù)據(jù)融合技術(shù)發(fā)展過程根據(jù)調(diào)查顯示，在70年代末,美國為達成聲納探測識別的軍事目的，提出數(shù)據(jù)融合這一新興理念，另外，由于傳感器技術(shù)在那段時間中飛速發(fā)展，不同傳感器獲得數(shù)據(jù)并且進行整理集合的數(shù)據(jù)融合方式被實際運用到各個領(lǐng)域當中，傳感器和數(shù)據(jù)融合理念在互相作用下得到非常迅猛的發(fā)展，而數(shù)據(jù)融合技術(shù)的理論以及應(yīng)用研究更得到了相當快的突破。隨后20世紀末，美國在通過一定模式的合理運用下，利用數(shù)據(jù)融合的處理方式對采集到的敵軍或者目標信息進行處理和相應(yīng)的預(yù)估，可以為軍方行動提供非常寶貴的意見，達到精確引導(dǎo)軍隊火力輔助隊伍戰(zhàn)略決策的目的。這一處理方式從各方面遠遠超越了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方式，隨著這一科技逐漸“下放”，多傳感器信息融合技術(shù)在更多的地方得以運用。在中國，數(shù)據(jù)融合技術(shù)還在比較初期的發(fā)展階段，迫切需要有在這一領(lǐng)域的理論和實際學(xué)說上進行開拓性的研究，通過借鑒國外對數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究報告以及應(yīng)用層面上進行逆向縫隙，并且努力在目標追蹤識別，融合算法運用上逐漸突破，就可以逐漸形成我國自己的數(shù)據(jù)融合模型。數(shù)據(jù)融合技術(shù)被我國政府列為相當關(guān)鍵的技術(shù)，并且在某些重點項目中被作為重中之重，我國對這些項目有相應(yīng)的技術(shù)扶持。盡管我國在這一領(lǐng)域起步較晚，但是可以在國外已有的成果上進行借鑒，可以在模糊控制，融合算法方面有所進展，但是因為基礎(chǔ)學(xué)科還是以處理單個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為研究方向，所以在多個傳感器同步處理的方面還是有諸多不足，因此在這些方面，需要進行升入研究進行相應(yīng)的突破2.3.2數(shù)據(jù)融合基本技術(shù)原理數(shù)據(jù)融合這一處理技術(shù)的主要過程最基本的要求是要滿足存在多個信息獲取途徑，而這一途徑可以由多個傳感器來達成，也可以以人工觀察得到的數(shù)據(jù)作為參考。獲得這些數(shù)據(jù)并且進行整合處理互補之后，在進行對應(yīng)的數(shù)據(jù)優(yōu)化和算法，得出最終結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)結(jié)果后，會根據(jù)設(shè)計者設(shè)計需求產(chǎn)生較為理想較為合適的處理方式。數(shù)據(jù)融合概念的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖對多個傳感器產(chǎn)生的測試結(jié)果進行處理調(diào)整是數(shù)據(jù)融合中的融合控制中心的基本功能，可以達到提取對應(yīng)的信息，然后將特征信息與設(shè)定的內(nèi)容互相匹配，做出綜合的決策估計的功能，達到給用戶提供方案的效果。根據(jù)處理方式以及處理位置進行細分，大致可以分為三類，其中包括了數(shù)據(jù)層、特征層、決策層三種，對于第一種數(shù)據(jù)層融合，傳感器獲得數(shù)據(jù)然后進行直接提取，再由專門負責處理和判斷的部分進行處理的一種方式；特征層相較于第一種數(shù)據(jù)層融合的處理方式而言，會先進行相應(yīng)的處理，根據(jù)設(shè)計者需要優(yōu)化信息，剔除不必要的信息部分，做到對信息進行壓縮的功能，經(jīng)過這一步驟可以大大降低整個程序的處理時間，運用分布式和集中式兩種方法達到融合目的；對于第三種融合方式則是需要各個傳感器在采集到對應(yīng)的信息之后都進行對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，對設(shè)置的特征進行抽取，依然需要剔除干擾或是非必要信息并且完成相應(yīng)的處理結(jié)果判斷，產(chǎn)生了多個結(jié)果后再通過決策層得出最后結(jié)果。本設(shè)計可以運用比較簡單的第一種處理方法，由于傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不是很大，并且為了使電路擁有一定的簡潔性，故需要采用第一類。

第3章車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計為了提升整個系統(tǒng)的運行效率，需要對車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)的硬件進行合理的挑選和安排3.1車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)描述簡易車內(nèi)需要運用到多個傳感器對駕駛員呼出氣體的酒精濃度以及車內(nèi)是否原本還有酒精氣體等多方檢測并且對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，可以得出關(guān)于駕駛員是否酒駕的結(jié)果，簡易車內(nèi)酒精濃度檢測系統(tǒng)通過駕駛員自身自覺參與呼出氣體酒精濃度測量的方法，可以減少交通管理部門為檢查酒后駕駛指派警力的壓力。目前可以有多種方法達到酒精檢測的目的，其方法按照達成結(jié)果的過程大致可以分為以人強制進行的方法和以駕駛員自身自覺進行的方法兩種，前一種需要交通管理部門為達成減少酒后駕車專門安排警員進行抽查或者逐一檢查，來檢測駕駛員是否在駕駛前有飲酒行為，雖然這種方法可靠性較高，但是由于是人參與負責抽查，所以存在相當大的局限性，而且由于每次只能檢測一輛，效率非常低。而通過駕駛員自身自覺進行酒精檢測來檢查呼出氣體酒精濃度方法的，根據(jù)調(diào)查顯示，大多數(shù)此類酒精濃度傳感器都是以單一傳感器為設(shè)計思路的，也就是沒有考慮到車內(nèi)存在有氣體流動的可能性，因此需要通過兩個以上的傳感器，進行比對處理識別，用以減少環(huán)境對檢測數(shù)據(jù)的干擾，本系統(tǒng)中選用數(shù)據(jù)融合技術(shù)的目的正是為了解決由于單個傳感器數(shù)據(jù)采集造成的誤差對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，解決現(xiàn)在車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)存在的問題。本文的目的是設(shè)計一款利用MQ?3和ME3A?C2H5OH來檢測車內(nèi)的酒精含量，然后對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理整合后，與標準相比較3.2車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)的組成本次主要設(shè)計一種針對酒后駕駛?cè)藛T的高精度車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)，主要功能為利用車載的酒精傳感器，車內(nèi)氣體的濃度會被車載的多個酒精傳感器捕捉，這一行為會產(chǎn)生相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，由多個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)理，比如將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后送至STM32中進行傳統(tǒng)數(shù)據(jù)融合處理，處理結(jié)果會以設(shè)置好的國家標準血液中酒精濃度含量作為判斷標準，若判斷結(jié)果是駕駛員存在酒后駕駛醉酒駕駛行為，則通過揚聲器提醒駕駛員不能酒后駕車。本設(shè)計主旨是提供一種能夠面向大眾的，使用方便的產(chǎn)品，根據(jù)人們的需要，從便于駕駛員使用的角度上，測量駕駛員呼出氣體中存在的酒精濃度并且將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給駕駛員。在我國不斷加強對酒后駕駛等危害交通安全行為的控的前提下，系統(tǒng)在功能實現(xiàn)方面需要做到對駕駛員人群將擁有普遍約束能力，同時，我國很多車輛都需要安裝這一產(chǎn)品，所以從成本角度上來講，需要控制成本的價格，要選用價格較低的元器件。將采集到的信息經(jīng)過調(diào)理后，將信號送至主控制器STM32進行處理，當該檢測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，將會發(fā)出信號，此時蜂鳴器將動作，并且對駕駛員進行提醒。即需要滿足酒精的高精度檢測和對應(yīng)的報警功能并且擁有低價格，高穩(wěn)定性即可。車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)在設(shè)計的最終目的上還需要滿足駕駛員可以更舒適的角度上進行酒精濃度檢測，即需要擁有一定程度的便利，避免人為檢測的麻煩過程，減少傳統(tǒng)酒精濃度檢測裝置對距離的嚴格要求，達到簡化酒精濃度測量過程的目的，系統(tǒng)的對應(yīng)功能如下：簡易車內(nèi)酒精濃度測量系統(tǒng)的測量用傳感器擬采用MQ?3和ME3A?C2HSTM32會根據(jù)傳感器得出的數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的處理，這一過程以國家規(guī)定為標準，得出關(guān)于測得酒精濃度的最終結(jié)果，這一最終結(jié)果將會與預(yù)設(shè)的酒精濃度閾值相比較，如果該結(jié)果最終超出了設(shè)定的閾值，證明該駕駛員在這一檢測時刻存在飲酒行為，并會對意圖繼續(xù)進行駕駛的駕駛員進行警告。圖3-1檢測裝置整體設(shè)計在設(shè)計的過程中，需要著重注意在設(shè)計電路時，要讓電路更加合理需要著重在以下幾方面多加考慮：需要提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這需要在設(shè)計電路時著重使用一些標準化的電路布局，并且盡可能在資金允許的情況下，選擇最為穩(wěn)定而且功能比較強大的芯片，并且需要有一定的集成程度。在系統(tǒng)滿足正常工作的同時，最好留有能夠增加功能的余地，為后面進行功能升級留下串口，以方便未來在需要增加某些功能時進行拓展。電子技術(shù)領(lǐng)域向來發(fā)展十分迅速，在使用儀器方面，需要在之前的布局上盡量使用一些當前較為先進的技術(shù)，用以提高穩(wěn)定性。為了滿足日常維護以及升級的必要性，需要采用較為簡單的電路，以滿足出現(xiàn)故障時更容易排除故障的要求。3.3單片機選型為滿足給駕駛員個人的需要，在單片機選擇時，需要選擇能夠穩(wěn)定處理，并且性價比高的芯片，并且由于系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)融合時，需要相當高的計算量，因此選用ST的微控制器STM32F103ZET6。STM32增強型的單片機使用的是比一般單片機處理性能更高的單片機芯片，自帶有MCU的平臺所以相比于一般的ARM處理器，其擁有更低的功耗和更加強大的性能。Cortex?M372MHz的頻率使得STM32的存儲器擁有相當快的訪問時間，運用對應(yīng)的算法達到高效讀取對應(yīng)數(shù)據(jù)的要求，可以支持多種存儲以及多種存儲器控制器。擁有最基本的復(fù)位，時鐘功能的同時還擁有校準功能，還可以保障低功耗，睡眠，停機，待機等多種運行狀態(tài)下的存儲，達到記錄數(shù)據(jù)的需要DMA方面擁有支持外接定時器、A/D轉(zhuǎn)換、安全數(shù)字輸入輸出口、電路音頻總線、SDH物理接口、同步串行總線和同步異步串行收發(fā)模塊的DMA控制器。在調(diào)試模式下，可以進行串行單線調(diào)試，并且擁有跟蹤模塊。圖3-2STM32芯片同時擁有較多的定時器和16位定時器，可以滿足對輸入數(shù)據(jù)的捕獲，比較等多種要求。擁有多個通信接口，可以滿足多種功能需要。在電路設(shè)計上，STM32F103ZET6單片機的晶振電路采用兩個外部晶振，一個為32.76KHz另一個為8MHz一般選用8MHz的晶振用來滿足實時時鐘的要求。在JTAG/SWD接口上，存在滿足模式選擇，時鐘和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臐M足對應(yīng)數(shù)據(jù)處理要求的出線。對已經(jīng)編碼過的程序進行修改和調(diào)試，符合運用情況即可使用，另外芯片上的擁有兩種模式用來設(shè)置STM32F103ZET6的啟動方式。3.4數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計3.4.1MQ-3模塊介紹酒精傳感器MQ-3的基本原理可以簡述為通過被測氣體與酒精傳感器內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)進行反應(yīng)可以產(chǎn)生相應(yīng)的電壓以及電流變化，根據(jù)這些電信號的強弱和大就可以反向推斷出酒精氣體在呼出氣體當中的占比，也就是對應(yīng)濃度的數(shù)據(jù)。負責與酒精氣體進行反應(yīng)的部分會被固定在塑料或者不銹鋼等較為穩(wěn)定的外殼當中，加熱器可以保證傳感器能夠始終在較為穩(wěn)定的環(huán)境溫度下工作。MQ-3這一傳感器使用SnO2作為氣敏材料，這種氣敏材料擁有不易與清潔空氣中的成分反應(yīng)的特點，即使發(fā)生了反應(yīng)也只會產(chǎn)生非常微小的電流，酒精氣體與傳感器接觸時，這一材料就會與空氣中的酒精進行反應(yīng)，這一反應(yīng)過程會導(dǎo)致酒精傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的變化輸出對應(yīng)信號。MQ-3氣體傳感器對酒精氣體很靈敏，并且由于該傳感器只識別酒精氣體，因此，可以避免汽油、煙霧、水蒸氣對MQ-3的干擾較小，MQ-3具有雙信號輸出指示，濃度和產(chǎn)生的電壓成比例增加，可以產(chǎn)生一個5V以內(nèi)的模擬電壓輸出，MQ-3使用壽命長，動作速度快。在工作時，MQ-3酒精濃度傳感器的加熱電壓選取交流或者直流5V均可，利用該特性并且結(jié)合電路分析，可知隨著輸出電壓不斷增加，當超過一定設(shè)定值，可以采取相應(yīng)動作，經(jīng)過處理后，檢測結(jié)果會以電壓的大小反應(yīng)，方便后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換模塊進行處理。3.4.2ME3A?C2ME3A?C2H5OH也是一種電化學(xué)類的傳感器，當駕駛員吹出含有酒精的氣體時，酒精氣體會進入其中發(fā)生反應(yīng)，由這一化學(xué)反應(yīng)釋放出的電荷流動產(chǎn)生的電流將可以用于判斷酒精濃度，反應(yīng)后可以根據(jù)測得的電流和酒精濃度的比例關(guān)系，得出血液中酒精濃度，該電化學(xué)元件靈敏，可靠，功耗低，線性范圍寬，由于其與特定氣體發(fā)生反應(yīng)的特性，其擁有較為優(yōu)異的重復(fù)性、穩(wěn)定性以及抗干擾性，適合圖3-3ME3A參數(shù)由于該傳感器是屬于電化學(xué)傳感器，直接對傳感器的通氣面吹氣時，可能會導(dǎo)致反應(yīng)不完全導(dǎo)致最終數(shù)據(jù)結(jié)果偏低，這也使得從表觀上酒精濃度傳感器的靈敏度下降，也有可能導(dǎo)致直接進入反應(yīng)室導(dǎo)致靈敏度過高，數(shù)據(jù)過大，在進行酒精濃度檢測時，還需要避免測定氣體從正面吹出，同時要時刻保證氣體的通氣面不要被異物阻礙，通氣面堵塞和污染會導(dǎo)致從表現(xiàn)上酒精濃度傳感器的靈敏度下降。由于電化學(xué)傳感器自帶的特性，高濃度環(huán)境下長時間使用無法第一時間回到標準狀態(tài)，需要一定時間才能恢復(fù)到標準狀態(tài)。3.5液晶顯示屏模塊設(shè)計TFT類薄膜液晶顯示屏有多個像素點可以滿足顯示的基本需要，選用的ILI9320實際上是單芯片系統(tǒng)級芯片晶體管顯示器。擁有較高的分辨率。該控制器擁有系統(tǒng)接口和輸入接口雙接口，用戶可以選擇以上選項之一來查看動態(tài)或靜態(tài)圖像，所有數(shù)據(jù)都存儲在圖像寄存器中，因此控制器可以通過處理較小的數(shù)據(jù)傳輸，并且僅選擇和移動需要更新的數(shù)據(jù)以達成快速處理的目的。通過使用窗口地址的方法允許用戶更新GRAM中的某些信息。使用RGB和垂直同步接口時，ILI9320可以發(fā)送輸入的信息。此方法可有效防止在屏幕上出現(xiàn)圖像移動的問題。在RGB模式下，信息通過控制信號記錄在圖像寄存器中。在垂直同步模式下，可以通過系統(tǒng)界面顯示動態(tài)圖像。在這種情況下，設(shè)置特殊條件可以限制將信息寫入圖像寄存器的速度和方法。ILI9320工作模式較多，可以使用控制寄存器更改顯示模式。當需要更改顯示的模式時，需要參考RGB和垂直同步的內(nèi)容進行調(diào)整，只有通過系統(tǒng)自帶的接口才能操作，RGB和垂直同步不能同時作用。ILI9320收到18、16、9和8位接口模式命令后，對應(yīng)的功能模塊才會啟動。可以在索引寄存器中寫入指令和信息的指示器存儲器地址。寄存器的讀取、寫入信號和數(shù)據(jù)路徑用于讀取和寫入指令和數(shù)據(jù)。3.6電源電路設(shè)計供電模塊需要滿足對單片機，傳感器，顯示屏分別供電，不同部分的供電要求不一，需要進行對應(yīng)的調(diào)整。其中的單片機系統(tǒng)，TFTLCD液晶顯示屏的供電電壓為3.3伏，酒精傳感器單元的供電電壓需要5伏的供電電壓。大多數(shù)汽車中使用的電源電壓通常為12伏，因此必須通過電源轉(zhuǎn)換電路。為了將汽車內(nèi)的通用電壓轉(zhuǎn)換為需要的電壓標準，可以用LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)儀器。LM2596系列保護功能較為完善，可以進行多個保護模式，在非正常的工作環(huán)境下能夠保障電路主要部分不受傷害。經(jīng)過邏輯設(shè)計，該組件可以創(chuàng)建高效的穩(wěn)壓電路,提供的產(chǎn)品具有多個電壓。這次選擇了5V版本，芯片為外部控制工作條件提供了引腳。LM2596需要一個獨立的散熱器，散熱器的大小取決于輸入電壓，輸出電壓，負載電流和環(huán)境溫度。用LM2596將電壓可以調(diào)整為正5V的輸出，輸出電流將達到3A，通常具有一定的熱保護和電流控制保護。使用X1117芯片使得電路輸出5V電壓之后再用穩(wěn)壓器調(diào)整到3.3V。電路設(shè)計如下圖3-4所示。圖3-4基本封裝線路LM1117電路可以將輸出電壓保持在準確度之內(nèi)，輸出端需要一個至少10μF的電容來改善瞬時響應(yīng)和穩(wěn)定性。第4章車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序流程設(shè)計啟動STM32主控制器后，系統(tǒng)必須首先在串行端口上設(shè)置一個步驟，以達到初始值，并確定車輛是否提前受到酒精的影響。MQ-3然后可以開始測量酒精含量。通過目標定義，基本控制可以集中處理酒精濃度數(shù)據(jù)，通過模糊管理方法獲得最終值，并將其與目標值進行比較。如果超出最終設(shè)置，則可以將控制信號發(fā)送到揚聲器以設(shè)置警報。警告駕駛員請勿酒后駕駛，并且通過液晶顯示屏顯示當前呼出酒精濃度，并同時記錄數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的總體流程圖如下圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)總流程圖4.2數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計4.2.1MQ-3程序設(shè)計酒精傳感器會顯示駕駛員和乘客呼吸當中存在的酒精含量。酒精檢測器MQ-3與酒精發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生與濃度相對應(yīng)的電壓差并且轉(zhuǎn)換為電信號，電信號會被發(fā)送到AD轉(zhuǎn)換模塊。轉(zhuǎn)換處理會將數(shù)字信號發(fā)送到STM32，主控制器對輸入的數(shù)字信號進行分析和處理。根據(jù)血液酒精濃度和呼出氣體濃度的酒精濃度換算關(guān)系，擁有以下計算方式，需要按照該公式進行設(shè)定運算：BAC(mg/L)=BrAC(mg/L)×k該式中我國采用的k為2200的標準，即可以得出在這一情況環(huán)境下，駕駛員呼出氣體與血液酒精的含量的相互關(guān)系。MQ-3程序設(shè)計圖將如下圖所示：圖4-2酒精模塊流程圖4.2.2程序設(shè)計氣體化學(xué)反應(yīng)用于測量駕駛員呼出的氣體中的酒精氣體部分，其反應(yīng)程度與樣品氣體的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流成比例。根據(jù)法拉第定律，可以通過測量產(chǎn)生的電效應(yīng)來確定要測量的氣體，程序設(shè)計如下圖所示。圖4-3程序設(shè)計流程圖4.3ADC的采樣以及數(shù)據(jù)整理設(shè)計STM32芯片已經(jīng)具有一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠替換模數(shù)圖像。內(nèi)置的STM32數(shù)模轉(zhuǎn)換的方法是數(shù)字量通過逐次逼近寄存器SAR產(chǎn)生。逐次逼近寄存器運用“對分搜索法”的方法產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)字量，以8位的數(shù)字為例的話，逐次逼近寄存器產(chǎn)生了8位數(shù)字量的一般用來試探Vi的大小，若V0<Vi，那么清除最高位，反之則保留最高位，然后依次進行直到每一位都被確定，則轉(zhuǎn)換結(jié)束。每次更改STM32時，都需要打開觸發(fā)信號：上升沿，下降沿和計時器三種形式作為STM32內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)方式。電化學(xué)傳感器MQ-3和ME3A輸出模擬電子信號，然后后續(xù)信號調(diào)理電路可以將合適的電壓信號輸入至STM32的AD轉(zhuǎn)換器模塊當中將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，通過對數(shù)字信號進行相應(yīng)的程序處理，包括數(shù)據(jù)融合，平均值運算等多種運算后，可以得出最終結(jié)果?？梢允褂肁DC_CR來設(shè)置修改后的AD操作系統(tǒng)和開關(guān)頻率。AD數(shù)據(jù)存儲器用于文件存儲數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器的輸入頻率由PCLK生成，并且可以選擇以12位精度返回。ADC的采樣時間為(1.1)當使用STM32的數(shù)字量和模擬量進行轉(zhuǎn)換步驟時，就可以在初始化完成之后就進入轉(zhuǎn)換步驟，可以根據(jù)數(shù)據(jù)記錄保存的采樣時間對數(shù)據(jù)進行保存，并且對得出的數(shù)據(jù)進行比較處理，求出平均值，再經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可求得酒精濃度。開始轉(zhuǎn)換之前，需要進行一些配置，例如引腳配置和時鐘設(shè)置。：圖4-4ADC程序配置調(diào)整ADC之后，需要執(zhí)行ADC1轉(zhuǎn)換操作，此時需要調(diào)用函數(shù)庫，以將模擬變量正式轉(zhuǎn)換為數(shù)字變量。ADC轉(zhuǎn)換后，采樣點存儲在數(shù)列中，并據(jù)此計算這些點的平均值，并進行處理，最后，根據(jù)產(chǎn)生參數(shù)與酒精濃度之間的客觀關(guān)系來計算駕駛員的血液酒精含量。并進行比較，具體如下圖4-5所示：圖4-5程序調(diào)用部分為降低程序被其他因素影響到采集速率的可能，在主程序中需要適當調(diào)用ADC單獨作為一個任務(wù)設(shè)計的主程序。4.4LCD顯示程序配置首先需要源代碼，將其傳輸?shù)骄凭珴舛瘸绦蛑?，并根?jù)用于定義LCD初始化功能的LCD型號和尺寸，在相應(yīng)的文件中調(diào)整LCD的顯示。完成上述步驟之后需要對LCD的驅(qū)動程序進行編譯，這些過程需要用到對應(yīng)的底層程序進行驅(qū)動，底層程序包括以下幾個部分：圖4-6程序驅(qū)動部分完成底層函數(shù)驅(qū)動之后，需要調(diào)用對應(yīng)的函數(shù)庫，并且根據(jù)設(shè)定好的內(nèi)容進行相應(yīng)的顯示，達到提示駕駛員當前檢測出的酒精含量等相對應(yīng)的問題。第5章傳感器誤差分析5.1環(huán)境分析車載簡易檢測系統(tǒng)主要采用的是STM32控制，如果加裝了SIM900A，則可以實現(xiàn)對兩組酒精濃度傳感器得出的數(shù)據(jù)經(jīng)處理之后，將其發(fā)送至附近交管部門數(shù)據(jù)庫的功能。SIM900A能滿足幾乎所有用戶的需求，如M2M數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。鍵盤和用戶界面使用戶可以靈活地設(shè)計和開發(fā)應(yīng)用程序，并具有可編程的通用輸入和輸出接口。考慮到存在以上擴展內(nèi)容的可能，也需要對車載狀態(tài)進行相應(yīng)的考量，比如車輛內(nèi)部環(huán)境對外接插口調(diào)整的影響，是否符合便于加裝功能區(qū)塊的情景，另外，也需要考慮車型是否可能對數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃友b模塊產(chǎn)生影響，需要對可行性進行分析。同時，由于可能存在車輛無法連接網(wǎng)絡(luò)等狀況，若需要安裝這一GPRS模塊需要判斷是否能夠長時間接收到網(wǎng)絡(luò)，以便駕駛?cè)藛T在測量出超出酒精含量標準意圖繼續(xù)駕車時，交通管理部門能夠立即采取相應(yīng)措施進行反應(yīng)。由于不同傳感器在同一測試環(huán)境下對被測液體的靈敏度不一樣，所以可能導(dǎo)致在不同情況下，兩個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有較大差異，而這種情況會導(dǎo)致嚴重影響檢測結(jié)果。同時不同傳感器在不同溫度下所測得的結(jié)果也會不一樣，對數(shù)據(jù)也需要相應(yīng)的調(diào)整和更正，可以加裝對應(yīng)的溫度檢測模塊，并將當前溫度會造成的誤差值顯示在顯示器上。第6章總結(jié)展望本課題主要是設(shè)計了一款關(guān)于車載使用的便攜式酒精濃度檢測裝置，需要穩(wěn)定，準確的呼吸酒精檢測器。本文檔的主要主題是酒精濃度檢測器的選擇和合理使用。該系統(tǒng)在實現(xiàn)檢測駕駛員是否在駕車前飲酒，通過檢測駕駛員呼出氣體中的酒精氣體的濃度進行數(shù)據(jù)融合處理之后，將檢測信息在顯示屏上顯示，在這一過程中同時會與已經(jīng)設(shè)定好的標準值進行比較，這一標準需要嚴格按照我國關(guān)于酒后駕車的相關(guān)條例進行判斷。而根據(jù)血液酒精濃度和呼出氣體濃度的酒精濃度換算關(guān)系，擁有以下計算方式，需要按照該公式進行設(shè)定運算。該式中我國采用的k為2200的標準，即可以得出在這一情況環(huán)境下，駕駛員呼出氣體與血液酒精的含量的相互關(guān)系。本次設(shè)計了車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)，采用了型號的主控制芯片，運用多個電化學(xué)酒精傳感器進行全方面的信息采集，設(shè)計了信號采集部分的硬件電路以及檢測裝置。并且需要根據(jù)設(shè)備的功能建立主任務(wù)、AD采集任務(wù)、液晶顯示任務(wù)等多個任務(wù)。本文的研究還存在以下不足：需要通過對市面上不同使用的酒精濃度檢測裝置進行調(diào)查，來進行測試校準實驗數(shù)據(jù)。需要對標準酒精氣體進行進一步測試，測試結(jié)果可以有助于對車內(nèi)簡易酒精濃度測量系統(tǒng)的校準提供幫助。通過對酒精傳感器的檢測原理分析可知，需要增加壓力傳感器以及氣敏傳感器用以觸發(fā)啟動硬件模塊和軟件模塊，感應(yīng)駕駛員對車內(nèi)簡易酒精濃度檢測裝置的吹氣行為，以便達到對呼氣的要求；其次溫度對酒精轉(zhuǎn)化率的可能會有一定程度的影響，當?shù)陀?0攝氏度的時候就需要考慮到溫度已經(jīng)對酒精檢測裝置的傳感器造成了較大的影響，而在這一情況下，需要對采集到的結(jié)果和數(shù)據(jù)進行補償，測試酒精氣體在反應(yīng)腔內(nèi)得到完全的轉(zhuǎn)化。雖然本系統(tǒng)對以往的車載酒精檢測系統(tǒng)擁有很大進步，但是由于技術(shù)和知識的缺乏，該系統(tǒng)還有很多值得提升和改進的地方，比如在加裝GPRS模塊時，可以同時在加上照片上傳功能，在對駕駛員進行呼出氣體酒精濃度檢測時對駕駛員現(xiàn)狀進行拍攝，在酒精濃度檢測結(jié)束之后，上傳至交通管理部門進行保存；其次，雖然STM32擁有更加靈活的接口但是在需要加裝功能時，需要同時考慮到設(shè)備兼容問題以及存在安裝問題時的應(yīng)對方法和解決措施，提高各個模塊相互的兼容性可以大幅提升車內(nèi)簡易酒精濃度檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性；最后，