CN102004122A

CN102004122A - 一种酒精检测报警装置

Info

Publication number: CN102004122A
Application number: CN 201010517109
Authority: CN
Inventors: 石伟; 谢拴勤; 张震; 张磊
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2011-04-06

Abstract

本发明公开了一种酒精检测报警装置，用于检测空气中或者酒后驾驶人员呼吸中酒精含量并产生报警，报警频率随着被测酒精浓度的变化而变化。酒精检测报警装置由传感器检测电路、信号变换电路和报警电路组成，其中信号变换电路将电压信号转换成频率信号，使报警频率随着酒精浓度上升而升高。当被测酒精浓度低时，报警音作为一种提示音提示酒后驾驶人员，当被测酒精浓度高时，报警电路频繁报警，报警音成为噪声，利用噪声引起心理烦躁，迫使醉酒者放弃行驶。同时，具有直接检测呼吸中酒精浓度和酒精浓度信号外接输出功能。主要用于车载酒精检测和酒精工业现场，也可以作为便携式酒精检测设备。

Description

一种酒精检测报警装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，具体地说，涉及一种酒精检测报警装置，用于检测车内空气中酒精含量，或直接检测饮酒者呼出气体的酒精浓度，并且能够根据酒精含量的多少自动改变报警的频率。

背景技术

随着社会的发展，人们的生活越来越丰富。人们的交往应酬也在增多，酒后驾车的现象屡见不鲜，酒后驾车造成的交通事故时有发生，酒后驾车已经严重威胁着生命安全、财产安全，以及交通秩序。为了防止酒后驾车造成交通事故，交通管理部门采取了多种治理酒后驾车现象的手段，更有不少人提出了各种用于预防酒后驾车的车载酒精检测系统，通过检测车内空气中酒精含量，判断驾驶者是否酒后驾车，如果饮酒过量，则采取一定的措施，阻止驾驶者驾驶车辆，从而达到非人为干预的酒后驾车预防措施。

中国专利(200910233544)中公开了一种便携式酒精浓度检测及报警系统，通过以单片机为核心的高灵敏度酒精检测系统，对车上的驾驶员进行酒精浓度的检测，并显示酒精浓度值，当酒精浓度大于某一设定值之后，启动声光报警器。这种检测及报警装置，在一定范围内能够很好的预防酒后驾车，尤其是能够自动检测车内空气中酒精含量，进而间接检测出酒后驾车者是否过量饮酒。但是，在判断酒精浓度是否过量时，由于是和预设值相比较，且车内空气中的酒精含量由于各种因素影响极不稳定，因此，容易出现误判。同时，因为只在超范围后启动报警，并不能强制酒后驾车者停止继续驾驶。

在发明专利(200810067953)中提出了一种车用酒精报警方法及控制装置，其控制装置包括酒精传感器、微电脑控制器与汽车点火开关，微电脑控制器分别与酒精传感器、汽车点火开关电连接。其方法为：酒精传感器检测驾车人呼出的酒精浓度，酒精传感器将电信号发送给微电脑控制器，微电脑控制器通过控制开关电路控制汽车启动开关；当被测呼出气体中的酒精含量超过预定值时，控制装置自动发出语音提示和报警声，同时自动切断汽车点火开关的电源，无法正常启动汽车。该发明在非人为干预方面能够强有力的迫使酒后驾车者停止继续驾驶，但是这种方法存在一定的缺陷。第一，醉酒者往往是不清醒的，直接测量醉酒者呼出的气体不方便，一般只能测量车内空气中酒精含量。第二，汽车启动时，并没有检测到酒后驾车者饮酒过量，但是汽车在行驶中由于某些因素如车内空气酒精含量逐渐升高，或酒后驾车者忽然离传感器近距离呼吸至使控制装置动作，迫使汽车中途熄火，这是比较危险的。

车载酒精检测系统不同于通用酒精检测仪，后者有专用的气嘴，往往是在交警的监督下，检测的是酒后驾车者直接呼出气体的酒精含量，而前者则是检测酒后驾车者呼吸到空气中扩散的酒精含量。很明显，前者检测的酒精浓度必然小于后者检测的酒精浓度，并且，两者之间并没有确定的关系。

车载酒精检测系统通常考虑的最坏情况是酒后驾车者驾车，最重要的两点是：第一，检测酒精浓度时，要考虑到酒后驾车者是在无人监督下被动检测的，检测时不能让酒后驾车者主动采取某种行动，即这一行为完全属于非人为干预措施；第二，当酒后驾车者饮酒过量时，要能够采取强有力的措施，迫使醉酒者放弃行驶，同时要保证酒后驾车者和汽车的安全。因此，车载酒精检测系统最重要的三个要素是非人为干预性、强制性与安全性。当然，是否能够快速、准确的检测出驾驶者饮酒过量，也是决定检测系统实用性的重要指标。

目前，大多数的车载酒精检测装置忽略了上述两个实际问题，要么假设酒后驾驶者驾驶前先主动检测酒精含量，然后让检测系统判断是否过量；要么只考虑在检测到饮酒过量时迫使车子无法正常行驶，而没有考虑到其方法的安全性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题提供了一种酒精检测报警装置。其要解决的技术问题在于：该装置在检测酒精含量过程中，直接采集车内空气中的酒精含量，实现了非人为干预测量；报警过程充分利用噪声的作用，达到噪音强制干预的目的。当酒精浓度低时，警报时间间隔较长，此时警报可以提示酒后驾驶者小心行驶；当酒精浓度高时，警报时间间隔缩短，直到酒精浓度超标时，此时频繁报警，报警声音成为非常刺耳的噪声，令酒后驾车者产生一种烦躁的心理，自动放弃继续行驶。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：酒精检测报警装置主要由传感器检测电路、信号变换电路和报警电路及外接端子。传感器检测电路检测空气中的酒精含量，输出电压信号，该电压信号经过信号变换电路变成频率信号，变换后的频率信号经过分频处理，驱动蜂鸣器产生报警。如此，报警的频率就可以随酒精含量变换而变化。

所述的传感器检测电路监测车内空气中的酒精含量，将酒精浓度C(alc.)转换成电压信号(U)输出。为了得到当被测酒精浓度为零时，输出电压也为零，将酒精传感器连接到桥式电路的一个桥臂上，同时在桥式电路的对角节点处引出差分输出电压(U₀)。这样的检测电路，既能实现温度补偿，又能避免电源供电电压波动引起的干扰。桥臂上设置有一个可调电阻，用于调零，保证酒精浓度为零时，输出差分电压也为零，共模信号(U)和差分信号(U₀)均可外接输出。

所述的信号变换电路由：阻抗匹配电路、电压频率转换电路(VFC)、分频电路三部分组成。阻抗匹配电路是一个简单的比例运算放大电路，既利用了其比例放大的特性，又充分利用了其高输入阻抗低输出阻抗的特性，组成一个简单的阻抗匹配网络，将传感器检测电路输出的电压信号(U₀)无失真的送到压频转换电路，作为压频转换电路的输入电压(U₁)。压频转换电路采用集成的电压/频率转换芯片，它能将输入的电压信号(U₁)转换成线性输出的频率脉冲信号(F_h)，输入电压升高，则输出脉冲的频率相应升高，改变增益调节电阻的阻值，可以改变电压频率转换的增益，即电压频率转换电路的输出频率和输入电压的比值通过增益电阻可调。一般的电压/频率转换芯片输出频率很高，所以需要增加一级分频器对输出频率信号(F_h)进行降频，使之成为低频信号(F_l)。

所述的报警电路由单稳态触发器和报警器组成，报警器可以是简单的蜂鸣器，也可以是语音提示电路。单稳态触发器是将降频后的频率信号(F_l)转换成报警器的驱动信号，降频后的频率信号决定报警器报警时间间隔，单稳态触发器输出脉冲宽度决定一次报警的时间长度t_w。如若报警器发出一次“滴滴”提示音需要0.2秒，则设置单稳态触发器输出脉冲的宽度应该是0.2秒，若降频信号的频率位0.2Hz，则报警器就会每隔5秒发出一次“滴滴”的提示音。单稳态触发脉冲宽度决定报警器件声音的持续时间，单稳态触发电路的脉宽调节电阻可调，可以改变触发脉冲的宽度。

本发明的报警驱动信号时序图说明了电压、频率、单稳态触发脉冲之间的相互关系。可以看出，当酒精浓度C(alc.)升高时，输出的电压U₀升高，输出脉冲频率F_h、F_l也升高，报警器报警越频繁，t₁、t₂、t₃代表不同的报警时间间隔，t_w代表报警持续时间。当酒精浓度C(alc.)低时，报警器间隔一段时间之后发出一声报警，此时，因为报警频率很低，间隔时间长，对于酒后驾车者而言，可以作为一种提示音，提醒酒后驾车者小心行驶；酒精浓度C(alc.)过高时，报警器间隔很短的时间不断报警，此时，因为报警频繁，报警声音成为一种持续不断刺耳的噪音，会使醉酒者产生烦躁的心理，在这种强噪音的影响下，迫使酒后驾车者不得不放弃继续行驶。

该报警器同时还具有以下几个功能：

具有可以直接检测酒后驾驶人员呼出气体的酒精浓度的功能。当驾驶者对准传感器口近距离呼出气体时，传感器测量到的浓度几乎就是被测者呼吸中的酒精浓度，将传感器输出的电压信号引出，分别送入具有不同参考输入电压等级的比较器中，比较器再与不同颜色的发光二极管相连，当传感器输出电压大于某个电压比较器的参考电压时，点亮相应的发光二极管，以指示被测者呼吸中酒精含量的等级。不同等级的参考电压通过几个可变电阻串联组成分压网络得到，每一个参考电压都可调节，可以分别设置各个指示灯代表的临界酒精浓度值。

同时具有外接模拟输出端口和数字输出端口。将U和U₁分别引出，作为外接模拟输出端口，将F_h引出，作为外接数字输出端口，这三个端口的信号都代表了被测酒精浓度值，可以供其他的仪器使用，达到共享的目的。有了外接端口，可以外扩LCD显示屏，实时显示被测的酒精浓度，也可以很方便的将代表酒精浓度值的信号以模拟或数字两种方式送入单片机中进行处理。当然，还可以利用外接端口，将测量的酒精浓度显示在车载GPS/MP3/MP4等电子设备显示屏上。

根据不同的使用场合，通过调节电压频率转换增益调节电阻、单稳态出发脉冲宽度调节电阻、参考电压分压电阻的阻值，可以改变报警时间间隔、报警时间长度以及报警的临界界限。

本发明酒精检测报警装置，适用于车载酒精检测报警，既能实现酒后驾驶的非人为干预，检测到醉酒情况后发出的强噪音又能迫使醉酒者放弃驾驶。还可以当做通用酒精检测仪检测酒后驾驶人员呼出气体中的酒精含量等级；除了独立工作外，通过外接引出端口可以与其它仪器设备联机工作。

本发明酒精检测报警装置，还具有通用的测量和报警功能，用于酒精生产工业现场，作为现场空气酒精含量的检测仪器。

附图说明

下面结合附图对本发明一种酒精检测报警装置做进一步详细的说明。

图1为本发明酒精检测报警装置工作原理方框图。

图2为可调零差分输出的桥式传感器检测电路图。

图3为本发明酒精检测报警装置的报警驱动信号时序图。

图4为本发明酒精检测报警装置的电路图。

1.传感器检测电路 2阻抗匹配电路 3.电压频率转换 4.分频器5.单稳态触发器 6.报警器 7.数字量引出端口 8.指示灯 9.模拟信号引出端口

具体实施方式

本实施例是一种酒精检测报警装置。参见图1、图2，电路图由酒精传感器检测电路、阻抗匹配电路、信号灯指示电路、电压频率转换电路、分频电路、单稳态触发电路、报警发生器电路以及外接端子组成。传感器检测电路1实时检测空气中的酒精浓度，将浓度信号转换成电压信号输出，电压信号分两路，一路输入到两个电压比较器的正向比较端，与两个预设的参考电压比较，当相应的指示灯亮时，表明被测酒精浓度分别超过了其预设的临界值；另一路送入到电压频率转换电路4，将电压信号转换成频率信号，然后经过分频电路5，输出较低频率的触发脉冲信号，从而控制蜂鸣器鸣响的频率。

传感器检测电路1监测车内空气中的酒精含量，将酒精浓度C(alc.)转换成电压信号(U)输出。为了得到当被测酒精浓度为零时，输出电压也为零，将酒精传感器连接到桥式电路的一个桥臂上，同时在桥式电路的对角节点处引出差分输出电压(U₀)，这样的检测电路，既能实现温度补偿，又能避免电源供电电压波动引起的干扰。桥臂上设置有一个可调电阻，用于调零，保证酒精浓度为零时，输出差分电压也为零，共模信号(U)和差分信号(U₀)均可外接输出。

信号变换电路由：阻抗匹配电路2、电压频率转换电路(VFC)3、分频电路4三部分组成。阻抗匹配电路2是一个简单的比例运算放大电路，既利用了其比例放大的特性，又充分利用了其高输入阻抗低输出阻抗的特性，组成一个简单的阻抗匹配网络，将传感器检测电路输出的电压信号(U₀)无失真的送到压频转换电路，作为压频转换电路的输入电压(U₁)。压频转换电路采用集成的电压/频率转换芯片，它能将输入的电压信号(U₁)转换成线性输出的频率脉冲信号(F_h)，输入电压升高，则输出脉冲的频率相应升高，改变增益调节电阻的阻值，可以改变电压频率转换的增益。一般的电压/频率转换芯片输出频率很高，所以需要增加一级分频器对输出频率信号(F_h)进行降频，使之成为低频信号(F_l)。

报警电路由单稳态触发器5和报警器6组成，报警器6可以是简单的蜂鸣器，也可以是语音提示电路。单稳态触发器5是将降频后的频率信号(F_l)转换成报警器的驱动信号，降频后的频率信号决定报警器报警时间间隔，单稳态触发器5输出脉冲宽度决定一次报警的时间长度t_w。如若报警器6发出一次“滴滴”提示音需要0.2秒，则设置单稳态触发器5输出脉冲的宽度应该是0.2秒，若降频信号的频率为0.2Hz，则报警器就会每隔5秒发出一次“滴滴”的提示音。

图3所示为本发明的报警驱动信号时序图，说明了电压、频率、单稳态触发脉冲之间的相互关系。当酒精浓度C(alc.)升高时，输出的电压U₀升高，输出脉冲频率F_h、F_l也升高，报警器报警越频繁，t₁、t₂、t₃代表不同的报警时间间隔，t_w代表报警持续时间。当酒精浓度C(alc.)低时，报警器间隔一段时间之后发出一声报警，此时，因为报警频率很低，间隔时间长，对于酒后驾车者而言，可以作为一种提示音，提醒酒后驾车者小心行驶；酒精浓度C(alc.)过高时，报警器间隔很短的时间不断报警，因为报警频繁，报警声音成为一种持续不断刺耳的噪音，会使醉酒者产生烦躁的心理，在这种强噪音的影响下，迫使酒后驾车者不得不放弃继续行驶。

图4展示了本发明酒精检测报警装置的电路图。

图4中，MQ213、R1、R2、R3以电桥形式相互连接，组成了酒精传感器检测电路。其中MQ213是3V供电的自加热式酒精敏感传感器，该气敏元件有2只针状管脚，一只管脚直接接回路电压，另一只管脚用于取出信号。R2是与MQ213串接的取样电阻，一般取30～100Ω。R1和R3组成另外两个桥臂，目的是为了取出差分电压，所以原则上要求R0*R3＝R1*R2。这样R1、R3可以分别取R1＝100*R0，R3＝100*R2，其中R0代表MQ213的体电阻，一般为20～100Ω。取差分电压的目的是：当酒精浓度为0时，取出的差分电压信号也为0，如果仅从取样电阻R2上取出共模电压，则空气中没有酒精时，报警器还是会隔很长时间发出报警声音，但是取差分电压之后，这种情况就不存在了。另外R3可调，以消除其它电阻的偏差，能够方便进行调零。

图4中，R4、R5、U1组成阻抗匹配网络。其中，U1选用低压双通道运算放大器LMV358，一个通道连接成电压跟随器，利用其输入阻抗无穷大，将取样电阻R2的共模电压取出，送到两个电压比较器；另一通道运放与R4、R5连接成同相比例放大电路，将差分电压信号取出送入压频转换电路，通过调节R5的阻值可以改变比例系数。

图4中，R6、R7、R8、R9、R10、U2、LED_R、LED_Y组成信号灯指示电路。其中U2选用低压双通道电压比较器LMV393，LED_R、LED_Y分别是红色、黄色发光二极管。两个比较器的参考电压输入端由供电电压VCC经R6、R7、R8三个电阻分压给出，调节R7和R8，可以分别输出两个预设的参考电压值V₁、V₂。取样电阻上的共模电压V₀分别与V₁、V₂相比较，如果V₀大于V₁，则红色指示灯LED_R亮，如果V₀大于V₂，则黄色指示灯LED_Y亮。

使用时，预先调节R7、R8，使V₁、V₂分别代表呼出气体的酒精浓度为0.09mg/L和0.48mg/L两个临界值。近距离直接对着酒精传感器呼气，则传感器输出代表了呼吸中的酒精浓度的电压值V₀，如果V₀大于V₂，则黄色指示灯LED_Y亮，表示驾驶者“饮酒”驾车；如果V₀大于V₁，则红色指示灯LED_R亮，表示驾驶者“醉酒”驾车。

图4中，R11、R12、R13、R14、R15、R16、C1、C2、C3、U3组成电压频率转换电路，其功能是将输入的电压信号转换成频率方波信号。U3是集成压频转换芯片LM331，可将0～10V的电压信号变换成1～100KHz宽范围满量程频率信号。R11和C1组成低通滤波器，同时R11选择较大阻值的电阻，能够限制输入电流，合理选取C1能够抑制输入电压干扰脉冲，达到最小的非线性死区偏置。R12、C2组成定时网络，与LM331输入比较器反相输入端相连；R13、C3也组成定时网络，用于调整输出频率脉冲的宽度，与LM331定时比较器正相输入端相连；R14是上拉电阻，一端接电源，一端与LM331频率输出端；R15、R16组成微调串联网络，与LM331增益调整端相连，改变R16的值可调节电路转换增益的大小，调整LM331的增益偏差和R12，R13，C3所引起的偏差。该压频转换电路输入电压和输出频率的关系为：F_out＝K*V_i，其中K＝(R15+R16)/(2.09*R12*C3*R13)。

图4中，分频电路是通过U4所组成的电路实现的，选用双十进制异步计数器74HC390实现100分频电路。如图，只需将LM331输出频率接入U4的时钟输入端1，然后将3管脚与4管脚，7管脚与15管脚，13管脚与12管脚依次相连，同时，将2管脚、14管脚两个异步清零管脚接地，就可实现不外接器件的情况下实现100分频。此处分频的目的是将LM331输出的高频频率信号变成低频信号，以驱动低频工作的报警器。

图4中，R17、C4、C5、U5组成单稳态触发电路，U5是通用定时/计数器，选用ICM7555，工作电压最低可为3伏。R17、C4用于控制输出脉冲宽度，其中R17是可调电阻，故输出脉冲宽度是可调的。降频后的频率信号与U5的2管脚相连，在U5的3管脚输出触发脉冲信号。

图4中，R18、R19、R20、D1、D2、C6、C7、C8、U6、BZR1组成报警电路。其中，U6也是通用定时/计数器ICM7555，与R18、R19、R20、D1、D2、C6、C7一起构成多谐振荡器，驱动无源蜂鸣器BZR1。C8是一个隔直电容。R19和R20均可调，R19调整振荡脉冲占空比，从而调整蜂鸣器的声音，R20调整振荡脉冲的工作频率，从而保证蜂鸣器在额定工作频率下工作。将触发脉冲与该多谐振荡器的复位管脚4相连，其工作原理是，当有触发脉冲时，多谐振荡器工作，驱动蜂鸣器发出声响，脉冲的频率控制着声响的频率。

图4中，VCC是供电电源，用3.7V的锂离子电池。JP1是外部扩展接口，其中1为电压输出接口，2为电源负极，3为频率输出接口，4为电源正极。当该酒精检测报警装置有单独的电池供电时，其2、4端为输出端，可提供供电输出接口；当由外界供电时，只需将合适的供电端正负分别接到4、2端，即可工作。电压输出接口1、频率输出接口3的目的是将传感器检测到的酒精浓度信号量以两种方式输出，以便共享，可以通过此接口，和其它仪器设备联机工作，如此接口与通过单片机、显示器等相连，直接显示当前的浓度值，还可进一步进行数据分析、处理，也很方便将其与车载MP3/GPS等电子设备融合。

Claims

1.一种酒精检测报警装置，其特征在于包括传感器检测电路、信号变换电路、报警电路及外接端子；所述的传感器检测电路检测空气中的酒精含量，输出电压信号，电压信号经过信号变换电路变成频率信号，变换后的频率信号经过分频处理，报警电路随酒精含量变化，驱动报警器产生报警。

2.根据权利要求1所述的酒精检测报警装置，其特征在于：所述的酒精传感器连接于桥式电路的一个桥臂上，从桥式电路的对角节点处引出差分输出电压；与酒精传感器相对的一个桥臂上设有调零电阻。

3.根据权利要求1所述的酒精检测报警装置，其特征在于：所述的信号变换电路包括阻抗匹配电路、电压频率转换电路和分频电路；电压频率转换电路的输出频率和输入电压的比值通过增益电阻可调。

4.根据权利要求1所述的酒精检测报警装置，其特征在于：所述的报警电路包括单稳态触发器和报警器；单稳态触发脉冲宽度决定报警器件声音的持续时间，单稳态触发电路的脉宽调节电阻可调，可以改变触发脉冲的宽度。

5.根据权利要求1所述的酒精检测报警装置，其特征在于：所述的传感器输出的电压信号分别送入具有不同参考输入电压等级的比较器中，比较器与不同颜色的发光二极管相连，当传感器输出电压大于电压比较器的参考电压时，点亮相应的发光二极管，以指示被测者呼吸中酒精含量的等级。