鬻实用技术经验
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基于ＰＩＯ１６Ｆ８７７
呼气式酒精测试仪的设计
ＤｅｓｉｇｎｏｆＢｒｅａｔｈＡｌｃｏｈｏｌＴｅｓｔｅｒｔｈａｔＢａｓｅｄ
华东师范大学（上海２０００００）陈继德
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ＰＩＣ１６Ｆ８７７
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近年来，酒后驾车的司机越来越多，造成不少意外伤亡。在公路交通例行检查或处理违章时，最简单可行的方法是检测驾驶人员呼气中的酒精浓度。如果被测者深吸气后以中等力度呼出气体达３ｓ以上，则他呼出的气体就是来自肺部深处的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系：ＢＡＣ
（ｍｇ／Ｌ）＝ＢｒＡＣ（ｍｇ／Ｌ）×２２００，ＢＡＣ（ｂｌｏｏｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）为血液酒精浓度，ＢｒＡＣ（ｂｒｅａｔｈ
ａｌｃｏｈｏｌａｌｃｏｈｏｌ
传感器的燃烧室内充满着特种催化剂，这种催化剂仅能使进入燃烧室内的酒精气体充分燃烧转变为电能输出，对其它非酒精气体不产生任何反应，因而它们对输出没有任何影响。所以燃料电池酒精传感器输出电压的高低与吸人燃烧室内酒精气体的浓度
成正比。
另外转换率受燃料电池的环境温度影响。我们可以通过检测燃料电池酒精传感器输出电压的高低来计算驾驶员呼出气体的酒精浓度值，从而得出驾驶员血液里的酒精浓度值。
燃料电池酒精传感器的特点：测量精度高，可测范围广。由于它只对酒精气体反应，任何其它非酒精气体测量时给结果带来的干扰都很少。另外，由于它对酒精气体及其敏感，只要把它的环境温度控
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）为呼气酒精浓度，ｍｇ／Ｌ是毫克每升，为每升血液里酒精浓度值。血液里的酒精浓度值与呼出气体里的酒精浓度具有固定的比例关系，它为所有呼气酒精测试仪的设计提供了理论依据。
１燃料电池酒精传感器的原理和特点
燃料电池利用化学反应，直接把进入其内部的可燃气体转变成电能输出，在其两个电极上产生电压输出。燃料电池酒精传感器是燃料电池的一个分
支，它采用贵金属白金作为电极。在燃料电池酒精
制在规定的范围内（有利于能量转换），即使是酒精浓度很低的气体也能在其两极产生微弱的电压输出。设计时，一定要考虑燃料电池酒精传感器的测温和加热电路。每次测量前，都要先把燃料电池的环境
万方数据
中阈豫甏豫表２００５年第１期
鬟实用技术经验
麟
模拟信号采集
ｌ控制模块Ｊ及放大处理模块ｌ电压转换控制Ｉ燃料电池输出电压ｌ加热电路控制
Ｉ压力传感器输出压力
ＨＨ燃料电池清零
ｌ供电电池输出的电压
ｌ运算放大器控制｜Ｄ／Ａ转换正参考电压输入【
Ｉ报警电路
计算机接口模块
斟Ｈ显示模块时钟模块嚣爿
Ｈ
打印测试结果
万 方数据直接驱动发光二极管ＬＥＤ、光电耦合器和小型继电器等，可以大大简化控制电路。
（７）具有ＩＩＣ、ＳＰＩ、和ＵＳＡＲＴ通信接口可以很方便地与实时时钟芯片和计算机通信。
（８）开发方便，ＰＩＣ应用程序的开发可采用在线调试和软件模拟两种办法，既可以用汇编语言也可以用ｃ语言编写代码，而且开发工具可以免费下载。
（９）内部带有８路１０位Ａ／Ｄ转换器，８ｋ
ＲＯＭ，
５１２字节ＲＡＭ和２５６字节ＥＥＰＲＯＭ，时钟频率为
４ＭＨｚ，５Ｖ供电，贴片的体积很小，价格实惠。
３系统的硬件描述
系统的硬件设计主要分为控制模块、模拟信号放大与采集模块、电压变换模块、显示模块和其它模块。３．１控制模块
控制燃料电池的环境温度，因燃料电池的环境温度影响酒精气体的转换率。用一个高精度的热敏电阻和一个加热电阻放在燃料电池的底下，它们之问不能靠得太近，以免热敏电阻所测的温度不能真
实反应燃料电池的环境温度。
要使每次吸人燃料电池内的气体总量都一样，由
于燃料电池燃烧室的容量是固定的，所以只需要控
制吸人气体的压强。为了不增加系统的复杂性，在吸气口安装一个压力传感器，当人体呼出的气流从这里流过时，检测气流的压力；达到预先规定的数值时，打开电感线圈抽气，可保证每次检测时所用的样品量一致，表现为所吸的气体在体积和压强上都是相等的。
每次测量之前都要使燃料电池的正极接地以清除残余电压，在此用一个ＭＯＳ管，把它的漏极和源极直接和燃料电池的正极与地相连，栅极接到微处理器的一个引脚上。通过控制栅极电平的高低，来控制燃料电池的输出与地是否导通。系统中还有很多其它控制，如控制加热电阻的开与关，控制电感线圈的开与关，蜂鸣器的发声和运算放大器，电压
转换芯片等都是通过控制微控制器某个引脚上的输出电压高低来控制。
２００５年第１期中阈豫嚣豫表
７８
３．２模拟信号放大与采集模块
主要是模拟信号的放大电路设计，包括燃料电池的输出电压、压力传感器的输出和温度传感器的输出放大与处理。ＰＩＣｌ６Ｆ８７７内部带有８路Ａ／Ｄ转换模块，处理精度可达到１０位，这些引脚可以直接接收模拟信号，不需要额外的Ａ／Ｄ转换芯片。３．３电压变换模块
由于系统要用到的电压有５Ｖ，３Ｖ，２２Ｖ，而供电电池为３．３Ｖ，需用３种不同的电压变换芯片加相应的电阻、电容，分别从３．３Ｖ变换到５Ｖ为微控制器提供供电电压；３．３Ｖ变换到３Ｖ为模数转换提供正输人参考电压；３．３Ｖ变换到２２Ｖ为电感线圈提供工
作电压。３．４显示模块
由于３位共用同一个输入端，即ＰＩＣｌ６Ｆ８７７的Ｄ端口，其８个脚分别接数码管的８个脚ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ和ｄｐ。３个位的动态选择用Ｅ端口的３个引脚控制。由于最终测试结果是小数，所以在数码管的第一位前要放置一个发光二极管，作为最前面的
小数点使用。３位数码管还可以显示一些字符，如
Ｓｕｃ，Ｆｌｏ等以提示操作人员当前系统所处的状态。３．５其它模块
时钟芯片用ＢＬ５３７２，通过ＩＩＣ和微控制器通信，为系统提供实时时钟，可在打印测试结果时同时打印测试时间。使用微控制器的ＲＣ６和ＲＣ７脚通过ＲＳ２３２与计算机通信，可以把测试结果存人计算机。系统不直接和打印机相连，靠红外线传输打印。
４系统的软件实现
按照系统所要实现的功能，将整个系统划分为
几个子程序：
（１）显示：检测３位数码管能否正常显示，系统所处的工作状态和最终测试结果显示。
（２）测试：首先设置采样参数进行采样，涉及到许多参数检测和控制电路。采样完毕后，要对采样结果进行分析处理，计算出测试结果。
（３）参数校准：由于燃料电池的电极容易老化，每个月要用标准酒精气体进行参数校准，参数值保
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存在ＥＥＰＲＯＭ中。
整个系统的控制是在两个中断下完成的。一个
外部中断，可切换系统工作模式，具有更高的优先级；一个定时器中断，用于系统需要定时的地方，定时器每２ｍｓ中断一次，可以同时实现系统多个任务
的精确定时。图２给出了系统抽气流程图。
图２抽取气体流程图
抽气之前首先检测燃料电池的环境温度，若不
满足，则让加热电阻加热，直到满足为止，系统每
隔２ｍｓ检测一次。达到规定温度开始采样，先要检测气压，当呼气压力达到规定值，并且能持续３ｓ以上时，则此时的气体符合采样标准。不能持续３ｓ则蜂鸣器呜叫，意味着被测试人员要重新呼气，等待期间，数码管上显示“Ｆｌｏ”。抽得的气体被送进燃料电池。此时，燃料电池的正负极上有电压输出，检测燃料电池输出的电压，当输出达到最大值时，停止检测，把检测的结果送到指定函数进行计算，得出最终测试结果，并送到数码管显示，或送到打印机输出。
５结束语
燃料电池做传感器的酒精测试仪在我国还很少使用，文中用ＰＩＣｌ６Ｆ８７７作为系统微处理器，比较合适。本酒精测试仪的设计达到了预期效果。
参考文献
１曹楚南．腐蚀电化学原理．化学工业出版社，２００４．
２刘启中，李荣正，王力生，王威．ＰＩＣ单片机原理及应用．北京航空航天大学出版社，２００４．
３李庆祥现代精密仪器设计．清华大学出版社，２００４．
７９
基于PIC16F877呼气式酒精测试仪的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈继德
华东师范大学,上海,200000中国仪器仪表
CHINA INSTRUMENTATION2005，""(1)1次
参考文献(3条)
1. 曹楚南 腐蚀电化学原理 2004
2. 刘启中. 李荣正. 王力生. 王威 PIC单片机原理及应用 20043. 李庆祥 现代精密仪器设计 清华大学出版社 2004
引证文献(1条)
1. 张震宇 基于SPCE061A的智能化酒精浓度检测器设计[期刊论文]-电子器件 2008(2)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgyqyb200501019.aspx
授权使用：重庆电子工程职业学院(cqdzgczyxy)，授权号：6ae2d6af-86b9-4809-9027-9e22010c4367
下载时间：2010年11月2日
鬻实用技术经验
■啊睡露霸艇翻Ｉ纛善蠢曩麓—嗡嗡ｏ●ｙ蠢囊，曩■嘲髓啊‘瓣
鬻
基于ＰＩＯ１６Ｆ８７７
呼气式酒精测试仪的设计
ＤｅｓｉｇｎｏｆＢｒｅａｔｈＡｌｃｏｈｏｌＴｅｓｔｅｒｔｈａｔＢａｓｅｄ
华东师范大学（上海２０００００）陈继德
ｏｎ
ＰＩＣ１６Ｆ８７７
撺搴：愈簪了＿攀誊零穆磐零缓ｉ蒸謦ｊ蒸《蒸蓼誊蓼攀霉黪参岛池终酒跨传感器的哮气式酒精潮试仪的
善终愿尊、豢霉霪誊囊零慧誊攀夔懑辫鍪攀熟黪ｊ惹鍪鍪摹誉擎黪ｌ掌；７７，黪粤琴雾警磐誉型燃母警些，可
以准警卿霉冬罄蒸嚣黪零紧攀黪洚黪辫豢爹ｊ董ｉ
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ｅｉｓｅｕｂ。ａｓ辫ｅｄ。ｏｎ童；ｍＩ；。＿ｌ＿ｌｉｃ瓿ｒｏｐｔｅｓｒｏ≤ｃｅｓ；ｓ≤ｏｒ漆ａｎｄ吝≤ｉｓ叠ｐｏ篱ｒｔ『；ａ瀵ｂｌｅ灞．弧藩满ｏｓｅ溢ｍｉ藜ｉｃ篱ｒｏ蠢ｐ≤ｒｏ：ｃ篱ｅｓｓｉｏ漆ｒ
ＰｔｉＩ蓬Ｃ１蘸６Ｆ８誊７ａ７嵩ａｎ蔷ｄ虢ｓｅｎｍｓｏ‘ｒ螽ｉｓ
ｅｐｌｅ糟ｃｃｔｒｉｓｏｉ：。ｃｈｎｅ．ｍｉｃａｉ
关键滴：乒忙ｊｌｌ卷—黪爱穗继攀删壤艘；：ｊⅢ澎藏灞黪翰薯鐾
：Ｋｅｙ
Ｗｏｒｄｓ：：ＰＩＣｌ６Ｆ８謦
ｆｕｅｌｃｅｌｌＢｌｏｏｄａｌｃｏｈｏｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ
近年来，酒后驾车的司机越来越多，造成不少意外伤亡。在公路交通例行检查或处理违章时，最简单可行的方法是检测驾驶人员呼气中的酒精浓度。如果被测者深吸气后以中等力度呼出气体达３ｓ以上，则他呼出的气体就是来自肺部深处的气体。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系：ＢＡＣ
（ｍｇ／Ｌ）＝ＢｒＡＣ（ｍｇ／Ｌ）×２２００，ＢＡＣ（ｂｌｏｏｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）为血液酒精浓度，ＢｒＡＣ（ｂｒｅａｔｈ
ａｌｃｏｈｏｌａｌｃｏｈｏｌ
传感器的燃烧室内充满着特种催化剂，这种催化剂仅能使进入燃烧室内的酒精气体充分燃烧转变为电能输出，对其它非酒精气体不产生任何反应，因而它们对输出没有任何影响。所以燃料电池酒精传感器输出电压的高低与吸人燃烧室内酒精气体的浓度
成正比。
另外转换率受燃料电池的环境温度影响。我们可以通过检测燃料电池酒精传感器输出电压的高低来计算驾驶员呼出气体的酒精浓度值，从而得出驾驶员血液里的酒精浓度值。
燃料电池酒精传感器的特点：测量精度高，可测范围广。由于它只对酒精气体反应，任何其它非酒精气体测量时给结果带来的干扰都很少。另外，由于它对酒精气体及其敏感，只要把它的环境温度控
ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）为呼气酒精浓度，ｍｇ／Ｌ是毫克每升，为每升血液里酒精浓度值。血液里的酒精浓度值与呼出气体里的酒精浓度具有固定的比例关系，它为所有呼气酒精测试仪的设计提供了理论依据。
１燃料电池酒精传感器的原理和特点
燃料电池利用化学反应，直接把进入其内部的可燃气体转变成电能输出，在其两个电极上产生电压输出。燃料电池酒精传感器是燃料电池的一个分
支，它采用贵金属白金作为电极。在燃料电池酒精
制在规定的范围内（有利于能量转换），即使是酒精浓度很低的气体也能在其两极产生微弱的电压输出。设计时，一定要考虑燃料电池酒精传感器的测温和加热电路。每次测量前，都要先把燃料电池的环境
万方数据
中阈豫甏豫表２００５年第１期
鬟实用技术经验
麟
模拟信号采集
ｌ控制模块Ｊ及放大处理模块ｌ电压转换控制Ｉ燃料电池输出电压ｌ加热电路控制
Ｉ压力传感器输出压力
ＨＨ燃料电池清零
ｌ供电电池输出的电压
ｌ运算放大器控制｜Ｄ／Ａ转换正参考电压输入【
Ｉ报警电路
计算机接口模块
斟Ｈ显示模块时钟模块嚣爿
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打印测试结果
万 方数据直接驱动发光二极管ＬＥＤ、光电耦合器和小型继电器等，可以大大简化控制电路。
（７）具有ＩＩＣ、ＳＰＩ、和ＵＳＡＲＴ通信接口可以很方便地与实时时钟芯片和计算机通信。
（８）开发方便，ＰＩＣ应用程序的开发可采用在线调试和软件模拟两种办法，既可以用汇编语言也可以用ｃ语言编写代码，而且开发工具可以免费下载。
（９）内部带有８路１０位Ａ／Ｄ转换器，８ｋ
ＲＯＭ，
５１２字节ＲＡＭ和２５６字节ＥＥＰＲＯＭ，时钟频率为
４ＭＨｚ，５Ｖ供电，贴片的体积很小，价格实惠。
３系统的硬件描述
系统的硬件设计主要分为控制模块、模拟信号放大与采集模块、电压变换模块、显示模块和其它模块。３．１控制模块
控制燃料电池的环境温度，因燃料电池的环境温度影响酒精气体的转换率。用一个高精度的热敏电阻和一个加热电阻放在燃料电池的底下，它们之问不能靠得太近，以免热敏电阻所测的温度不能真
实反应燃料电池的环境温度。
要使每次吸人燃料电池内的气体总量都一样，由
于燃料电池燃烧室的容量是固定的，所以只需要控
制吸人气体的压强。为了不增加系统的复杂性，在吸气口安装一个压力传感器，当人体呼出的气流从这里流过时，检测气流的压力；达到预先规定的数值时，打开电感线圈抽气，可保证每次检测时所用的样品量一致，表现为所吸的气体在体积和压强上都是相等的。
每次测量之前都要使燃料电池的正极接地以清除残余电压，在此用一个ＭＯＳ管，把它的漏极和源极直接和燃料电池的正极与地相连，栅极接到微处理器的一个引脚上。通过控制栅极电平的高低，来控制燃料电池的输出与地是否导通。系统中还有很多其它控制，如控制加热电阻的开与关，控制电感线圈的开与关，蜂鸣器的发声和运算放大器，电压
转换芯片等都是通过控制微控制器某个引脚上的输出电压高低来控制。
２００５年第１期中阈豫嚣豫表
７８
３．２模拟信号放大与采集模块
主要是模拟信号的放大电路设计，包括燃料电池的输出电压、压力传感器的输出和温度传感器的输出放大与处理。ＰＩＣｌ６Ｆ８７７内部带有８路Ａ／Ｄ转换模块，处理精度可达到１０位，这些引脚可以直接接收模拟信号，不需要额外的Ａ／Ｄ转换芯片。３．３电压变换模块
由于系统要用到的电压有５Ｖ，３Ｖ，２２Ｖ，而供电电池为３．３Ｖ，需用３种不同的电压变换芯片加相应的电阻、电容，分别从３．３Ｖ变换到５Ｖ为微控制器提供供电电压；３．３Ｖ变换到３Ｖ为模数转换提供正输人参考电压；３．３Ｖ变换到２２Ｖ为电感线圈提供工
作电压。３．４显示模块
由于３位共用同一个输入端，即ＰＩＣｌ６Ｆ８７７的Ｄ端口，其８个脚分别接数码管的８个脚ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ和ｄｐ。３个位的动态选择用Ｅ端口的３个引脚控制。由于最终测试结果是小数，所以在数码管的第一位前要放置一个发光二极管，作为最前面的
小数点使用。３位数码管还可以显示一些字符，如
Ｓｕｃ，Ｆｌｏ等以提示操作人员当前系统所处的状态。３．５其它模块
时钟芯片用ＢＬ５３７２，通过ＩＩＣ和微控制器通信，为系统提供实时时钟，可在打印测试结果时同时打印测试时间。使用微控制器的ＲＣ６和ＲＣ７脚通过ＲＳ２３２与计算机通信，可以把测试结果存人计算机。系统不直接和打印机相连，靠红外线传输打印。
４系统的软件实现
按照系统所要实现的功能，将整个系统划分为
几个子程序：
（１）显示：检测３位数码管能否正常显示，系统所处的工作状态和最终测试结果显示。
（２）测试：首先设置采样参数进行采样，涉及到许多参数检测和控制电路。采样完毕后，要对采样结果进行分析处理，计算出测试结果。
（３）参数校准：由于燃料电池的电极容易老化，每个月要用标准酒精气体进行参数校准，参数值保
丫阌俄嚣｛荻表２００５年第１期
万 方数据黼实用技术经验攀
—骊睡０弱嚼霭基蓼ｌ露瓣爿—‘霸●≯曩囊舅霹■—醵●＿簿
存在ＥＥＰＲＯＭ中。
整个系统的控制是在两个中断下完成的。一个
外部中断，可切换系统工作模式，具有更高的优先级；一个定时器中断，用于系统需要定时的地方，定时器每２ｍｓ中断一次，可以同时实现系统多个任务
的精确定时。图２给出了系统抽气流程图。
图２抽取气体流程图
抽气之前首先检测燃料电池的环境温度，若不
满足，则让加热电阻加热，直到满足为止，系统每
隔２ｍｓ检测一次。达到规定温度开始采样，先要检测气压，当呼气压力达到规定值，并且能持续３ｓ以上时，则此时的气体符合采样标准。不能持续３ｓ则蜂鸣器呜叫，意味着被测试人员要重新呼气，等待期间，数码管上显示“Ｆｌｏ”。抽得的气体被送进燃料电池。此时，燃料电池的正负极上有电压输出，检测燃料电池输出的电压，当输出达到最大值时，停止检测，把检测的结果送到指定函数进行计算，得出最终测试结果，并送到数码管显示，或送到打印机输出。
５结束语
燃料电池做传感器的酒精测试仪在我国还很少使用，文中用ＰＩＣｌ６Ｆ８７７作为系统微处理器，比较合适。本酒精测试仪的设计达到了预期效果。
参考文献
１曹楚南．腐蚀电化学原理．化学工业出版社，２００４．
２刘启中，李荣正，王力生，王威．ＰＩＣ单片机原理及应用．北京航空航天大学出版社，２００４．
３李庆祥现代精密仪器设计．清华大学出版社，２００４．
７９
基于PIC16F877呼气式酒精测试仪的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈继德
华东师范大学,上海,200000中国仪器仪表
CHINA INSTRUMENTATION2005，""(1)1次
参考文献(3条)
1. 曹楚南 腐蚀电化学原理 2004
2. 刘启中. 李荣正. 王力生. 王威 PIC单片机原理及应用 20043. 李庆祥 现代精密仪器设计 清华大学出版社 2004
引证文献(1条)
1. 张震宇 基于SPCE061A的智能化酒精浓度检测器设计[期刊论文]-电子器件 2008(2)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgyqyb200501019.aspx
授权使用：重庆电子工程职业学院(cqdzgczyxy)，授权号：6ae2d6af-86b9-4809-9027-9e22010c4367
下载时间：2010年11月2日