Разработка и исследование работы алкотестера на базе полупроводникового сенсора концентрации паров алкоголя

Аннотация

С применением полупроводникового сенсора концентрации паров алкоголя на базе микроконтроллера авторами разработан прибор контроля содержания паров алкоголя с индикацией показаний на ЖК-индикаторе. Предложен алгоритм работы разработанного авторами прибора контроля содержания паров алкоголя. Для забора проб выдыхаемого воздуха использован изготовленный авторами мундштук. Приведены результаты натурных испытаний разработанного прибора.

Ключевые слова: алкогольное опьянение, алкотестер, безопасность дорожного движения, прибор, алкоголь, статистика дорожно-транспортных происшествий.

В Российской Федерации проблема безопасного движения является одной из наиболее значимых. Высокие темпы роста автомобильного парка страны создают дополнительные предпосылки ухудшения обстановки на дорогах [1−3].

В январе-феврале 2016 года в России по вине пьяных водителей произошло 900 случаев, в таких ДТП погибло 173 человека, ранено 1366 человек [4].

Мерой по предотвращению вождения в состоянии алкогольного опьянения является освидетельствование на состояние алкогольного опьянения. Освидетельствование на состояние алкогольного опьянения в осуществляется сотрудником ГИБДД с использованием технического средства измерения.

Одним из способов контроля анализа состава выдыхаемого человеком воздуха является оценка состава выдыхаемого воздуха. Молекулярный состав выдыхаемого человеком воздуха включает не менее 600 летучих и нелетучих соединений. Они содержат информацию о функциональном состоянии человеческого организма в силу трансформаций поступающих из окружающей среды во внутренние органы молекул воздуха и пищи [5, 6].

При проведении освидетельствования на состояние алкогольного опьянения сотрудник ГИБДД, в соответствии с административным регламентом исполнения государственной функции по контролю и надзору за соблюдением участниками дорожного движения требований в области обеспечения безопасности дорожного движения, проводит отбор пробы выдыхаемого воздуха.

Для самоконтроля перед началом вождения водители используют широко распространенные цифровые алкотестеры [7]. Однако точность их невелика, т.к. внешняя среда и даже переизбыток различных примесей химических веществ в выдыхаемых парах при проверке человека могут отрицательно влиять на точность его измерений [8].

Цифровой алкотестер имеет измерительный датчик — полупроводниковый сенсор концентрации паров алкоголя. Широко распространенным является сенсор MQ303B [9].

Схема сенсора приведена на рис. 1.

Рис. 1. — Схема сенсора MQ303B

Принцип работы его в следующем. Изменение концентрации спирта вызывает изменение чувствительного сопротивления материала RS, что приводит к изменению напряжения на сопротивление нагрузки RL. Перед измерением резистор Rh должен быть подключен к напряжению питания 2,2 ± 0,2 В в течение 5−10 секунд, благодаря чему достигается стабильность сенсора. Далее напряжение поддерживается на уровне 0,9 В.

С целью исследования влияния режимов подключения сенсора на работоспособность прибора предпринята попытка разработать цифровой алкотестер и провести его испытания.

С применением сенсора MQ303B на базе микроконтроллера авторами разработан прибор контроля содержания паров алкоголя с индикацией показаний на ЖК-индикаторе. Алгоритм реализован на языке C for PIC [10].

Для забора проб выдыхаемого воздуха использован мундштук, т.к. процесс забора воздуха с мундштуком происходит с «меньшими потерями» и на него не влияет окружающая среда, угол наклона, расстояние до губ тестируемого и сила выдоха [8].

Алгоритм работы разработанного авторами прибора контроля содержания паров алкоголя с индикацией показаний на ЖК-индикаторе состоит в следующем. Измерение запускается с нажатием кнопки. Затем на Rh подается напряжение 2,2 В, через 3 с оно снижается до 0,9 В и поддерживается в течение оставшегося время измерения. Через 35 с после нажатия кнопки запускается начальное измерение — оцифровывается величина напряжения на резисторе RL (без алкоголя в зоне измерения). Затем подается сигнал о начале измерений содержания паров алкоголя в выдыхаемом воздухе. В течение 10 с производится ряд измерений и записывается максимальное из них. Затем выводится на ЖК-индикатор начальное и максимальное из измеренных значений.

По результатам исследований выявлено, что при периоде времени меньше чем 35 с после нажатия кнопки до начала измерений, начальные показания резко разнятся. Т. е. увеличением времени от нажатия кнопки до измерений содержаний алкоголя в выдыхаемом воздухе снижается разброс начальных показаний.

Результаты натурных испытаний разработанного прибора приведены в таблице № 1. Показания получены последовательной продувкой в мундштук тестируемым лицом после распития 0,5 л пива (4,7 об.).

На основании натурных испытаний выявлено влияние на показания прибора (показания прибора колеблются в диапазоне 87−92), вероятно, силы выдоха тестируемого лица. Некоторый разброс начальных показаний, вероятно, свидетельствует о влиянии остаточных концентраций алкоголя в мундштуке, т.к. используемый при испытаниях мундштук не менялся на неиспользуемый. микроконтроллер алкотестер сенсор Таблица 1 Результаты натурных испытаний разработанного прибора.

Таким образом, результаты испытаний показали о работоспособности разработанного авторами прибора. Однако, требуется разработка конструкции мундштука, исключающего влияние остаточных концентраций алкоголя и силы выдоха на надежность работы прибора.

• 1. Рыжкина Е. С. Период самостоятельного практического вождения молодых водителей — как наиболее опасный. Инженерный вестник Дона, 2012, № 4, часть 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n4p1y2012/1211.
• 2. Клинковштейн Г. И., Афанасьев М. Б. Организация дорожного движения: Учебник для вузов. — М:. Транспорт, 2001 — 247 с.
• 3. Кременец Ю. А., Печерский М. П., Афанасьев М. Б. Технические средства организации дорожного движения: Учебник для вузов. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. — 279 с.
• 4. Алексеева Елена. ГИБДД: аварий стало меньше, но дороги продолжают убивать. URL: zr.ru/content/news/852 028;gibdd-avarij-i-pogibshix-na-dorogax-stanovitsya-vse-menshe-no-dorogi-prodolzhayut-ubivat/.
• 5. Тараканов С. А., Подольский М. Д., Трифонов А. А., Гайдуков В. С. Анализ состава выдыхаемого человеком воздуха для диагностики галитоза. Инженерный вестник Дона, 2013, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n4y2013/2058.
• 6. Van den Velde S., Van Steenberghe D., Van Hee P., Quirynen M. Detection of Odorous Compounds in Breath // Journal of dental research.? 2009. Vol. 88.? № 3.? PP. 285?289.
• 7. Баядин Роман. Тест алкотестеров. URL: autodela.ru/main/top/test/alk.
• 8. Авалонский Зигмунд. Алкотестер или алкометр? Принцип действия и как что работает. В чем отличие алкотестера от алкометра. URL: alkotestery.ru/artcls/artcl2.html.
• 9. Alcohol Gas Sensor MQ303B: datasheet, Zhengzhou Winsen Electronics Technology, 2014, 7 p.
• 10. Программирование на Си для PIC. URL: labkit.ru/html/C_for_PIC.