基于近红外光谱的血液酒精含量无损检测系统设计

发布时间：2017-05-10 03:13

  本文关键词：基于近红外光谱的血液酒精含量无损检测系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由汽车引发的交通事故对人类的财产和生命带来了严重的影响,其中酒后驾驶发生交通事故的概率约是非酒后驾驶的16倍。因此驾驶员酒后驾驶的检测与预防越来越受到各国的重视。目前国内外交警应用的检测工具主要是呼吸式酒精检测仪与抽血式检测仪。呼吸式检测仪是利用体内血液循环到肺部的时候,仪器按照本身设置的空气酒精浓度和血液酒精浓度的换算比例系数来测量的,存在检测精度的问题；抽血式检验为创伤检测方式,存在时差问题。近红外作为快速、无创、精确地一种检测方式已广泛应用于人体组织化学成分检测,就检测血液酒精体积分数而言,与酒驾常用检测方式相比具有不可替代的优势。本文主要是基于近红外光谱技术设计了驾驶员血液酒精体积分数的检测系统。 文章分析了光在组织中的传播方式、光与组织的相互作用以及光学参数。基于朗伯比尔定律用公式推导证明了脉动理论检测血液酒精体积分数是可行的,确定了光吸收定律中光程校正因子B的可确定性。此外论文还选取了具有丰富微动脉血管网的手指前端作为检测部位,检测方式是光由指端的背部入射。 透射光经制冷铟镓砷探测器接收后转换为微弱的电信号,因此信号在后续的处理过程中极易被干扰与淹没,本文基于近红外(near-infrared, NIR)光谱,提出了一种血液酒精的检测方法,并设计了一种低噪声、低漂移、高精度的前置预放大电路,该电路用于准确检测血液中酒精的体积分数。在本设计电路中的电流电压转化部分,选择使用两种电路对比的方法,通过Multisim电路仿真软件模拟来比较电路的漂移和误差,同时利用Matlab进行数据处理；预放大电路部分利用高共模抑制比的AD620设计了差分放大电路来提高电路的共模抑制比(common mode rejection ratio, CMRR)。结果表明,使用对称补偿型低温漂电流电压变换电路,能够很好的抑制漂移降低系统误差,与常用的OP07电流电压转换电路相比,误差可降低约2%,漂移可降低约97%,为微弱信号的处理提供了依据。本系统设计了截止频率为0.3-10Hz的带通滤波器,它主要是用于降低检测过程中工频信号的干扰。主放大电路部分采用对比方法,选用OP07运算放大器将信号放大100倍,放大后的电压可满足单片机电信号的输入。电路除自身降噪之外,其它外界噪声特别是工频噪声可能会淹没有效信号,因此在后续电路中可以添加工频陷波器或设计一窄带带通滤波器进行滤波处理,此外,对整体电路进行隔离也能有效的降低外界的干扰。 最后,数字电路部分基于新一代8051单片机STC12C5A60S2/AD/PWM系列设计了外围采集电路,STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰的特性,内含有A/D转换功能。系统串口输出电路是基于电平转换芯片STC232组成的电路,本系统串口通讯为11.0952MHz,因此设置的波特率为9600bps。
【关键词】：近红外光谱 醉酒驾驶 检测系统 设计
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP274;U492.8
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 驾驶员酒精检测的背景与意义13-15
• 1.2 近红外光谱检测的发展15-16
• 1.3 论文的主要结构安排16-19
• 第2章 生物组织中光的传输和特征参数19-25
• 2.1 皮肤组织的结构特点19-20
• 2.2 光与组织的相互作用20-22
• 2.2.1 光的吸收特性20-21
• 2.2.2 光的散射特性21-22
• 2.3 皮肤组织的光学参数22-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第3章 血液酒精含量检测理论分析25-35
• 3.1 人体血液酒精浓度检测理论25-27
• 3.1.1 Lambert-beer定律的发展25-26
• 3.1.2 修正Lambert-beer定律26-27
• 3.2 酒精信号脉动检测原理27-31
• 3.2.1 脉动信号简介27-29
• 3.2.2 脉动检测去除个体差异的影响29
• 3.2.3 检测原理29-31
• 3.3 检测部位选择与组织模型31-32
• 3.4 本章小结32-35
• 第4章 酒精信号检测系统整体设计35-45
• 4.1 系统设计的整体方案35-36
• 4.2 光路设计36-41
• 4.2.1 光源与光电传感器36-38
• 4.2.2 分光方式与单色仪38-41
• 4.3 信号放大与滤波41-42
• 4.4 本章小结42-45
• 第5章 酒精信号检测系统电路设计45-69
• 5.1 电流电压转换电路设计45-48
• 5.2 预放大电路设计48-54
• 5.2.1 误差比较51-52
• 5.2.2 漂移比较52-54
• 5.3 信号的滤波电路设计54-60
• 5.4 主放大电路设计60-62
• 5.5 数字电路设计62-66
• 5.5.1 STC12C5A60S2系列单片机63
• 5.5.2 采集电路设计63-66
• 5.6 本章小结66-69
• 总结与展望69-73
• 总结69-70
• 展望70-73
• 参考文献73-77
• 附录1 STC12C5A60S2单片机采集传送主要程序77-79
• 攻读硕士期间的成果79-81
• 致谢81-82
• 学位论文评阅及答辩情况表82

【参考文献】

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本文编号：353895