酒后驾车是一个世界性的安全问题, 我国每年约有三分之 一的交通死亡事故与酒后驾车有关 。判断是否酒后驾车理论 上应该以驾驶员血液中的酒 精浓度 ( Blo od A lcohol Concentr a t ion, BA C) 为标准, 但 在 违 章处 理 或 者 公 路 交 通 例行 检 查 中, 由于设备等问题导致现场抽取血液很难实现, 而送往抽血 点所花的时间也会使得驾驶员血液中的酒精含量发生明显的变化。因 此, 对司机的呼气酒精浓度 ( Breath A lco ho l Co ncentrat ion, Br AC) 来测试, 然 后按 血液、呼 气酒 精浓度 比 2200 1 的 比例[ 2] 计算出血液酒精浓度是行之有效的方法。国内广泛使用 的有半导体型呼气式酒精测试仪, 但由于半导体传感器对酒精 浓度变化的反应呈非线 性, 示值误 差和重 复性也不 容易达 标, 抗干扰能力差, 易受吸烟、汽油等干扰, 并且它对吹气压力和 吹气连续性也无 检测 装置。 而燃 料电 池作 为无 排放 的清 洁能 源, 可以直接把 可燃 气体 的化 学能 转变 成电 能, 且不 产 生污 染 [ 3- 4] 。燃料电 池传感器只对待测物质具有高度敏 感性, 并对 待测气体反应成线性, 这使得基于燃料电池传感器的酒精测试 仪更便于开发。 本文根据燃料 电池 酒精 传感 器的 原理 和特 点, 提 出 了以 AR M 7 核 的 32 位 R ISC ( R educed Instruction Set Com puter )
微控制器为硬件平台 , 结合开 放源码、免费授权和资源丰富等 特点的 uClinux 嵌入 式操 作系 统, 并 使用 遵守 G PL 的 纯自 由 软件 M iniGU I 实现人机对话界面的酒精测试仪的研究。
软件 设计 是在 L inux 环境下 对 M iniGU I 应 用程序 进行 交 叉编译, 并且与 M iniG U I 在宿主 机上 编译生 成的 静态 链接 库 ( uClinux 不支 持共 享库) 链接, 生 成目 标板 可 运行 FL A T 格 式文件, 下载到目标系统搭建 的运行环境中使用。以 M iniG U I 为中间件, 基于 uClinux 的系统软件模块化框图如图 3 所示。
反应装置 [ 5- 6] , 燃料电池 酒精 传感器 是燃 料电池 的一 个分支。 本设计中使用的是固体聚合物 电解质燃料电池, 它采用碳载体 铂 ( P t/ C) 做为电极, Pt/ C 电极不仅作为酒精的 氧化催化剂, 而且还扮演气体扩散 层和电接点的角色。 由于两极铂催化剂的作用 , 在阳极 一边酒精 ( 乙醇) 被氧 化成乙酸, 同时阴极的 氧减少 并通过 外部回 路产生 感应电流。 在阳极和阴极发生的 反应为[ 7- 8] : 阳极: C 2 H 5 O H H 2 O 阴极: O 2 4H 4e
这样, 在 阳极 产生 的 电子 ( e- ) 通 过外 电 路到 达 阴极, 氢离子 ( H ) 则通过电解质膜 迁移至 阴极, 从 而在 阳极 和阴 极之间产生电流, 且电流的大小 与酒精含量成正比关系。通过外 电路的负载, 采集传感器的输出电压。根据能斯 特公式 [ 9] , 在 理想温度和系统压力范围内, 燃料电池 的输出电压与吸入酒精 气体的压力满足下式 : E = E0 P O2 RT RT ln( P 乙醇 ) ln 2F 2F P 乙酸 P H2 O ( 1)
根据式 ( 4) 可 以看出, 在 保证一 定压力 值的条 件下, 即 一定酒精气体浓度下, 燃料电池酒精传感器的输出电压变化值 与酒精气体浓度变化成线 MiniGUI 的体系结构
基金项目: 浙江省钱江人才计划项目( Q JD0702002) 。 作者简介: 熊业攀( 1984 ) , 男, 湖北洪 湖人, 工 学硕士, 主要 从事嵌 入式系统及其应用等的研究。
摘要: 设计了一种以 A RM 7 微控制器 LPC2210 为核心的燃料电池型呼气式酒精测试仪; 该仪器在 LPC2210 上移植嵌入式操作系统 uClinux , 利用燃料电池传感器的输出电压与酒精浓度的相关性, 通过采集 燃料电池传感器 中酒精气体反 应产生的模拟信 号计算出 酒精 浓度; 详细的介绍了燃料电池传感器的电化学原 理, 及在 A RM - Lin ux 嵌 入式操 作系统 环境下, 利用轻 量级的 图形用 户界面 支持 系统 M iniG U I 进行软件界面开发的方法, 提高了人机交互友好性和易操作性; 实验表明, 该 酒精测试 仪具有稳 定性好、精 度高、抗干 扰性 强的明显优点。 关键词: 嵌入式; 燃料电池; M iniG U I; 酒精检测
由于燃料电池的环境和温度 影响酒精气体的转换率, 系统通 过温度传感器以及加热电路检 测并控制环境和温度。为了使每次 吸人燃料电池内的气体总量都 一样, 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, 打开气泵装置抽气。酒 精气体在燃 烧室 内反应后在电池两级产生微弱 的电压输出, 电压模拟信号被送 入 A/ D 转换器之前, 必须 通过信 号调理 单元对 模拟 信号 进行 适当的处理, 以满足 A/ D 转换的要求。 经过 A / D 转化后 的数 字信号输入到指定函 数, 计算 结果最终显示在 L CD 液晶屏上。
