专利名称：带有曲线绘制功能的红外酒精测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及红外酒精测试系统，尤其是涉及一种带有曲线绘制功能的 红外酒精测试系统。
背景技术：
随着汽车工业的迅猛发展，因酒后驾车而引起的交通事故与日俱增，严重 的威胁着人们的生命财产安全。在交通事故案件处理中，需要检测酒后驾车肇
事者的BAC(Blood Alcohol Concentration),即血液酒精浓度，作为法院呈堂证供。 执法人员主要采用非侵入性检测来对驾驶员进行证据性呼气酒精测试 (Evidential Breath Alcohol Testing),方法大都是基于非色散红外光谱分析技术， 即化合物的分子对红外光谱内某一个或某一组特定波段内的辐射有选择地吸 收，吸收强度与该化合物的浓度相关。根据该方法可以检测出驾驶员呼气酒精 浓度(BrAC， Breath Alcohol Concentration),然后按固定比例关系计算出BAC。
目前基于红外吸收呼气酒精检测仪器一般采用斩波器对红外光进行机械调 制，即在红外光源和气室之间的光路上加一个带有多个通孔的以一定速率旋转 的斩波器，通孔分别被不同中心波长的窄带滤光片覆盖，产生的光脉冲信号通 过气室被吸收后，经红外探测器转换为电信号，由计数器的时间窗口控制各个 通道的导通，然后对各通道信号进行比较处理，将最终结果显示在液晶屏上。 该技术的主要缺点是采用机械调制方式，斩波器需要电机带动旋转，使得光学 部件体积大，重量重，且千扰性强，寿命和可靠性降低；另一方面是测试的结 果不能实时显示，容易受口腔酒精的干扰。 发明内容
针对上述现状和技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种带有曲线绘 制功能的红外酒精测试系统。它采用光源调制的方式，使得系统的可靠性和抗 干扰能力大大提高。通过比较通道消除光源不稳定性、光电器件零漂及呼气中 其他干扰物质的影响。系统中微处理器通过定时器设定一定的采样时间间隔， 将采集的数据转换为酒精浓度值后实时绘制在GUI显示系统上，从而可以对测 试有效性进行判断。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下
本实用新型包括微处理器单元、脉动光源驱动电路、抛物线型反射镜、红外光源、气室、滤光片组、红外探测器、信号放大处理电路、A/D转换电路、 无线打印模块和GUI显示系统；抛物线型反射镜和红外光源、气室、滤光片组 和红外探测器依次连接，红外光源、气室、滤光片组及红外探测器处于同一光 路上；红外探测器经信号放大处理电路和A/D转换电路电连接，微处理器单元 分别与脉动光源驱动电路、A/D转换电路、无线打印模块和GUI显示系统电连 接，脉动光源驱动电路与红外光源电连接。
所述的脉动光源驱动电路的输入端接微处理器单元的一个输出端，场效应 晶体管输出驱动器Q1的漏极接红外光源，Ql的源极接地，红外光源的另一引 脚接电源正极VCC。
所述的酒精测试系统中，微处理器单元采用ARM9芯片，滤光片组包括中 心波长为3.95tai、 3.48tai和3.39to的窄带滤光片，红外探测器采用热电制冷 硒化铅探测器，无线打印模块核心部件是nRF2401芯片，采用该芯片的经典标 准连接电路，A/D转换电路采用MAX1214或National公司的系列A/D转换芯 片。
所述的GUI显示系统:软件部分包括移植在微处理器单元中的嵌入式Linux 操作系统、移植在嵌入式操作系统上的GUI支持系统MiniGUI及基于MiniGUI 的应用程序，硬件部分为TFT型LCD及其接口电路。
所述的GUI显示系统:软件部分包括移植在微处理器单元中的嵌入式Linux 操作系统、移植在嵌入式操作系统上的GUI支持系统Qt/Embedded及基于 Qt/Embedded的应用程序，硬件部分为TFT型LCD及其接口电路。
微处理器产生一定频率的方波脉冲，输入脉动光源驱动电路驱动红外光源， 被调制的红外光进入气室后，在气体特征吸收谱线范围内，红外辐射光线被吸 收，衰减的红外光经中心波长为3.95Pm、 3.48tai和3.39Wn的窄带滤光片组后， 打在红外探测器上，转换为电信号后送入信号放大处理电路，然后经A/D转换 电路转换为数字信号送入微处理器，微处理器对各路数字信号进行处理，计算 出酒精浓度，并以曲线的形式实时显示浓度值。
所述的滤光片组包括中心波长为3.95tai、 3.48Wn和3.39toi的窄带滤光片， 3.95toi的红外光不被气室内任何吸能化合物吸收，3.48toi的红外光主要被酒精 吸收，3.39toi的红外光主要被丙酮和水吸收。
所述的微处理器通过定时器设定一定的采样时间间隔，将采集的数据转换 为酒精浓度值后以曲线的形式在图形用户界面显示系统上实时显示。
本实用新型具有的有益效果是采用非色散红外光谱分析技术，能够对气体流进行连续的分析，因此能够 描述呼气过程中，呼出气体中酒精浓度的实时变化曲线，这就使得它能识别出
是由肺泡中呼出的气体，还是口腔中的气体；采用光源调制方式取代机械调制 方式，可以减小体积和重量，提高可靠性，延长使用寿命；采用多通道差分吸 收测量法，能排除呼气中其他吸能化合物的干扰，如丙酮和水蒸汽，提高酒精 检测的准确度；采用RF无线传输技术，可以自动无线传输打印测试结果。
图1是本实用新型装置构成方框图。
图2是本实用新型装置中脉动光源驱动电路。
图3是2.54m到4.0tai之间乙醇、丙酮和水蒸气的红外吸收光谱图。 图4是本实用新型装置中微处理器与液晶模块的接口电路图。 图5是本实用新型装置中触摸屏接口电路图。 图6是本实用新型装置中信号放大处理电路。 图7是本实用新型装置中数据采样软件流程图。
图中1、微处理器单元，2、脉动光源驱动电路，3、抛物线型反射镜，4、 红外光源，5、气室，6、滤光片组，7、红外探测器，8、信号放大处理电路，9、 A/D转换电路，10、无线打印模块，11、 GUI显示系统。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，包括微处理器单元l、脉动光源驱动电路2、抛物线型反射镜 3、红外光源4、气室5、滤光片组6、红外探测器7、信号放大处理电路8、 A/D 转换电路9、无线打印模块10和GUI显示系统11;抛物线型反射镜3和红外光 源4、气室5、滤光片组6和红外探测器7依次连接，红外光源4、气室5、滤 光片组6及红外探测器7处于同 一光路上；红外探测器7经信号放大处理电路8 和A/D转换电路9电连接，微处理器单元1分别与脉动光源驱动电路2、 A/D 转换电路9、无线打印模块10和GUI显示系统11电连接，脉动光源驱动电路2 与红外光源4电连接，。
如图1所示，红外传感系统根据预先设定的调制频率调制红外光源4发出 周期性的红外光，红外光源4发出的红外光入射到气室5后，在气室5中气体 样本特征吸收谱线范围内与之相互作用，红外辐射光线被吸收，透过气室5的 红外光经窄带滤光片组6后由红外探测器7接收。由于调制红外光的作用，红 外传感系统输出交流的电信号，通过其后的信号放大处理电路8，得到一个与酒精气体浓度对应的直流信号，经A/D转换电路9转换为数字信号后送入微处理 器单元l。红外传感系统内有温度传感器探测其工作环境温度。红外传感系统产 生的信号经过微处理单元，并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后， 得出酒精气体浓度测量值。
如图2所示的脉动光源驱动电路2，其输入端接微处理器单元1的一个输出 端，场效应晶体管输出驱动器Q1的漏极接红外光源4， Ql的源极接地，红外 光源4的另一引脚接电源正极VCC。当脉冲为高电平时，Ql导通，红外光源3 被点亮；当脉冲为低电平时，Ql截止，红外光源3熄灭。为了防止光源驱动回 路中电流脉冲信号通过地线产生干扰，脉动光源驱动电路2应与探测器信号电
图3描绘了乙醇、丙酮和水蒸气在2.5Pm到4.(^m的红外吸收光谱图。由 于乙醇和丙酮的吸收光谱存在双向重叠，因此在确定窄带滤光片的中心波长时， 避开重叠较大的区域，从而使相互之间干扰变小。因此，参考通道、乙醇通道、 丙酮通道窄带滤光片的中心波长分别选为3.95Pm、 3.48Mm 、 3.39^m。
图4为液晶屏与微处理器的接口电路，实例中的微处理器为Samsung公司 的ARM9芯片S3C2440A，液晶模块为群创8寸LCD模块L80T84，根据 S3C2440A内部LCD控制器的逻辑功能与LCD模块L80T84的管脚配置及工作 时序，其显示部分的数字使能信号DE和像素时钟信号DCLK分别由微处理器 的VM、 VCLK控制，红、绿、蓝分量各6位组成18位像素数据总线与微处理 器VD[23:18]、 VD[15:10]、 VD[7:2]连接。
图5为微处理器与触摸屏的接口电路，低压差电压调节器LM1117DT-3.3提 供3.3V电压，用于满足微处理器3.3V外部I/0供电要求，触摸屏由纵向电阻和 横向电阻组成，4个控制信号nXPON、 nYPON、 XMON、 YMON控制双通道数 字晶体管FDC6321C的通断，从而控制4个定位信号TSXP、 TSXM、 TSYP、 TSYM的电压，通过阻容式低通滤波器滤除X轴和Y轴坐标信号的噪声，分别 送入ADC的模拟输入端AIN5和AIN7进行坐标转换。
如图6所示的信号放大处理电路，它包括一个通带频率与载波频率一致的 带通放大电路，带通放大电路包括放大器集成电路U8A及电容C27、电阻R39、 电容C29、电阻R40、电容C30、电阻R38、电容C28、电容C31。高通滤波包 括电容C32。可控增益放大电路包括以放大器集成电路U8B为核心的第一级放 大器，包括电阻R41、 R42、 R43、 R44、电容C33，可以通过调节电位器R42 的阻值来改变该级放大器的增益，本级放大器输出的信号送入以U9A为核心的
6第二级固定增益放大电路，二极管D2、 D3的作用使该级放大器仅输出零电平 以上的信号。本实例中参考通道与乙醇通道的放大处理电路一致，处理后的信 号送入A/D转换电路转换为数字信号，经比较去除光源不稳定性及光电器件零 漂产生的影响，从而得到乙醇与丙酮浓度之和。通过调整丙酮通道的增益，使 得当呼气样本中只存在乙醇时，丙酮通道与乙醇通道产生的电信号一致，则当 呼气样本中存在丙酮时，通过对丙酮通道、乙醇通道信号的比较可以得到酒精
气体中丙酮的浓度，然后将丙酮浓度按比例从乙醇丙酮浓度之和中减掉，即可 得出酒精浓度。
如图7所示的数据采样流程图，为使采样信号无失真地恢复原连续信号， 采样频率要大于信号最高频率的两倍。因此，微处理器单元1控制A/D转换电 路9以一定的采样频率对连续的模拟信号进行采样，得到离散化的数字信号后， 读取该数字信号并进行相应的处理。微处理器单元1通过定时器来设置一定的 采样时间间隔，并在定时器中断服务程序中启动A/D采样单元，在该时间间隔 内完成一次数据采集。主程序首先初始化S3C2440A，设置总线时钟，初始化 GPIO和串口，设定数据总线宽度，初始化TimerO端口，设置Eintl中断为上升 沿触发方式，设置中断向量入口并开TimerO和Eintl中断。然后设定采样频率 并启动TimerO，当到Timer0定时时间时，程序跳转到Timer0中断服务程序， 启动A/D转换电路采样，A/D转换完成后进入Eintl中断服务程序，读取A/D 转换结果并判断吹气是否持续，若持续则退出Eintl和Timer0中断服务程序， 若呼气中断则将标志EOC置1，并关闭Eintl禾卩Timer0中断，呼气流速小于 0.10L/s则视为呼气中断。
权利要求1、一种带有曲线绘制功能的红外酒精测试系统，其特征在于包括微处理器单元(1)、脉动光源驱动电路(2)、抛物线型反射镜(3)、红外光源(4)、气室(5)、滤光片组(6)、红外探测器(7)、信号放大处理电路(8)、A/D转换电路(9)、无线打印模块(10)和GUI显示系统(11)；抛物线型反射镜(3)和红外光源(4)、气室(5)、滤光片组(6)和红外探测器(7)依次连接，红外光源(4)、气室(5)、滤光片组(6)及红外探测器(7)处于同一光路上；红外探测器(7)经信号放大处理电路(8)和A/D转换电路(9)电连接，微处理器单元(1)分别与脉动光源驱动电路(2)、A/D转换电路(9)、无线打印模块(10)和GUI显示系统(11)电连接，脉动光源驱动电路(2)与红外光源(4)电连接。
2、 根据权利要求1所述的一种带有曲线绘制功能的红外酒精测试系统，其 特征在于所述的脉动光源驱动电路(2)的输入端接微处理器单元(1)的一 个输出端，场效应晶体管输出驱动器Ql的漏极接红外光源(4)， Ql的源极接 地，红外光源(4)的另一引脚接电源正极VCC。
3、 根据权利要求1所述的一种带有曲线绘制功能的红外酒精测试系统，其 特征在于所述的酒精测试系统中，微处理器单元(1)采用ARM9芯片，滤 光片组(6)包括中心波长为3.95toi、 3.48tai和3.39Mm的窄带滤光片，红外探 测器(7)采用热电制冷硒化铅探测器，无线打印模块(10)核心部件是nRF2401 芯片，A/D转换电路(9)采用MAX1214或National公司的系列A/D转换芯 片。
4、 根据权利要求1所述的一种带有曲线绘制功能的红外酒精测试系统，其 特征在于所述的GUI显示系统(11):硬件部分为TFT型LCD及其接口电路。
专利摘要本实用新型公开一种带有曲线绘制功能的红外酒精测试系统。包括微处理器单元、脉动光源驱动电路、抛物线型反射镜、红外光源、气室、滤光片组、红外探测器、信号放大处理电路、A/D转换电路、无线打印模块和GUI显示系统。通过微处理器产生方波脉冲，输入驱动电路驱动红外光源，红外光进入气室后，在气体特征吸收谱线范围内，红外辐射光线被吸收，衰减的红外光经窄带滤光片组后，打在红外探测器上，转换为电信号后送入信号放大处理电路，然后经A/D转换电路转换为数字信号送入微处理器，通过计算得出酒精浓度。微处理器通过定时器设置一定的采样时间间隔，将采集的数据转换为浓度值后以曲线的形式在图形用户界面显示系统上实时显示。
文档编号G01N21/35GK201402246SQ200920112009
公开日2010年2月10日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者任志锋, 张鹏举, 朱泽飞, 李仁旺, 芬 杨, 熊业攀, 王永建, 金周银, 州 陈 申请人:浙江理工大学