酒精浓度检测报警电路设计.doc

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1、1 引 言随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,汽车已然成为现代社会必不可少乃至无可取代的产物，随着我国汽车的总数不断增加，交通事故也在不断发生，而其中酒后驾驶导致的事故的占大部分。中国人的请客劝酒文化根深蒂固，在酒桌上往往会遇到劝酒的现象，有的人总喜欢把酒场当战场，想方设法劝别人多喝几杯，认为不喝到量就是不实在，喜欢“以酒论英雄”，一到喜庆节日酒后驾驶的现象更为严重，如不及时提醒，后果将会不堪设想。所以这更需要对汽车内的空气进行实时监测,以便及早得提醒驾驶员，有效的防护酒后驾驶，减少交通事故。目前，在空气检测领域，各式各样的气敏传感器层出不穷，而各式各样的酒

2、精检测设备也应运而生，且采用的都是对气体信息进行提取分析，得出气体的准确信息，但现在这些空气质量检测设备都有一个致命的缺点是-价格昂贵，以致于难以大量普及运用。除此之外，大部分功能较单一、实时性较低。因此，开发一个实时性高、性能稳定、经济实用的酒精浓度检测报警器便是本设计的最终目标。；2 系统整体框架 设计要求 在本次设计中，要求所设计的酒精浓度检测器具有报警功能。当酒精浓度大于设定值时，光电和声音报警电路会工作以提醒用户，而且还能强制发动机熄火。 方案论证2.2.1 检测模块：检测模块是检测器的核心，只有准确可靠的检测气体才能让检测器准确正常的工作，选择一个合适的气敏元件是非常重要的。因此我

3、们设计了下面的方案方案：气敏传感器检测运用传感器检测，根据传感器在不同气体环境中电阻的变化，从而引起输出电压的变化，将电压信号传给单片机分析。该方案虽然检测距离近，响应速度较慢，精确度较低。但是输出信号处理方便，价格便宜，开发成本低，适合普通用户使用我们设计的产品主要是面对普通用户，并且只是在汽车内，这种空间比较小的地方，测量距离不用很远。当驾驶员喝了酒上车的时候，酒精很快就可以蔓延到车里的每一个角落，这样传感器也就很快就可以检测到酒精浓度在增加。因而我们选择了价格比较便宜的气敏传感器作为我们的检测模块。2.2.2气敏传感器的选择&方案：旁热式MnO半导体气敏传感器 图2 旁热式气敏元件结构示

4、意图其克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，免了回路间的相互影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性，不过价格昂贵。近年来，使用二氧化锡(SnO2)气敏元件制成的酒精检测器，不仅对酒精味敏感，对汽油味、香烟味同样敏感，易造成检测失误，因此限制了它的普遍推广和使用。因此本设计使用一种性能稳定、抗干扰能力强的酒精传感器QM-NJ9。 QM-NJ9的特点是：专用于乙醇，酒精等有机液体蒸汽的检测，对汽油蒸汽有抗干扰的能力，而且灵敏度高，响应速度好，寿命长、工作稳定可靠。其技术指标为：加热电压（V H ） AC或DC 5 回路电压（Vc

5、） 最大24VDC 负载电阻（R L ） 4K 清洁空气中电阻（R a ） 2000K灵敏度（S=R a /R dg ） 5（在100ppmC 2 H 5 OH蒸汽中）分辨率（D=Riq/Rdq） 3（在100ppm汽油蒸汽中）响应时间（tres） 10S 恢复时间（tres c） 30S 元件功耗 检测范围 505000ppm 2.2.3 稳压电路的选择方案：传统三端线性直流稳压电源该方案成本低、简单易用、元器件化，但是其效率低、需要较大的散热器、系统成本高。基于电路的考虑选择了传统三端线性直流稳压电源（7805芯片）。2.2.4 声音报警模块方案：扬声器报警-用扬声器发出设计时实现录制好的

6、声音，提醒驾驶员切勿酒后驾驶。当检测到有害气体浓度超标的时候，通过扬声器警告驾驶员。 系统整体框架为了让报警器成为具备准确、快速的检测到气体信息，并采取相应的自动处理措施的控制系统。我们将检测报警器分为以下几大组成部分：电源模块、气体检测模块、开关电路控制模块、声音报警模块、显示模块、自动控制模块。图3便是空气质量检测报警器的系统框图：气体检测模块；声音报警模块开关电路控制模块、LED发光报警电 源 模 块自动控制模块:图3 电路设计整体框图3 系统硬件设计 电源模块该电路是安装在汽车上，所以可以使用车上的12V蓄电池电压。在无备用蓄电池的场合使用时，也可配上8节的7号电池。 稳压电路 3.2

7、.1 三端稳压集成电路7805￥ 图4 7805的实物图所谓三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管。用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。而且三端固定集成稳压电路的使用方便，所以电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个，但应用时需注

8、意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在78系列三端稳压器中最常应用的是TO-220 和TO-202 两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如图5所示。 图5 从正面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚为输出位。如对于78*正压系列，脚高电位，脚接地，输出是脚。此外，还应注意，散热片总是和接地脚相连。这样在78*系列中，散热片和脚连接。 7805应用电路7805集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集

9、成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板图6 7805的应用电路3.3 信号采集模块3.3.1 气敏传感器的原理QM系列气敏传感器是以复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元气件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻发生变化。即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上自由扩散（物理吸附），失去其运动能量。一部分气体分子被蒸发；另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。 如果N型半导体的功函数大于气

10、体吸附分子的离解能，气体的吸附分子将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附（带正电荷）。供给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷中的少数电荷空穴。因此，在导带上参与导电的自由电子的复合减少，从而表现出自由电子数增加，半导体元件的阻值减少。 具有这种正离子吸附的气体称为还原性气体，如H2、CO、碳氢化合物和酒类等。 如果半导体的功函数小于气体吸附分子的亲和力，则吸附分子将从半导体夺取电子而成为负离子吸附。 具有负离子吸附的气体称为氧化性气体，如O2、NOX等。负离子吸附的气体因为夺取了半导体的电子，而将空穴交给半导体，使导带的自由电子数目减少，因此元件的电阻值增大。其工作原理流程如图7可知:气敏

11、元件被检测气体产生吸附半导体功函数大于吸附分子离解能半导体功函数小于?吸附分子亲和力半导体自由电子半导体自由电子电阻电阻（正离子吸附）（负离子吸附） 图7 工作原理流程解释图该图示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值变化情况；由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时，如果被测气体流入这种气氛中，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化，通过测量电路（如电桥电路）就可测出其浓度。对P型半导体气敏元件，情况则相反，氧化性气体使其电阻减少，还原性气体使其电阻增大。在系统中，数据处理部分是系统程序正常运作的主要环节。数据处

12、理中有浓度函数，此函数的准确性关系到下面四个模块的准确性。由于这次设计中我们采用的是传感器厂家自带的浓度函数曲线进行浓度调试，由于气敏传感器的实际浓度曲线为非线性（如图8），因此设计中我们可以采用线性插值法和二次曲线插值法进行函数的编写。, 图8 浓度曲线我们可以把该曲线按一定要求分成若干段,在此设分成n段,然后把相邻两段点之间的曲线用直线近似,这样可以利用线性方法求出输入电压值x所对应的浓度值,这就是线性插值法。设输入值在（xi, xi+1）之间,则其对应的浓度值y可由下式求得：简化后得： 式中： 为第 段 (1)直线的斜率 .若传感器的输入和输出之间的特性曲线的斜率变化很大,采用线性插值法

13、,误差就很大,这时可采用二次曲线插值法,即通过曲线上3个点A（x0、y0）,B(x1、y1),C(x2、y2)做一抛物线,用此曲线代替原来的曲线,如图5所示。曲线方程为一元二次方程,一般形式为：y=K0+K1x+K2x2式中K0,K1,K2为待定系数,可用曲线y=f(x)的3个点A,B,C的二元一次方程组求解,这就需要解联立方程组,计算较复杂,列出的程序也较复杂,因此可以用另外一种型式： （1）式中 根据、B、C三点很容易求出。当时， 代入（1）式可得 又根据式 时 可知：把和代入式（1）得： （2），把， 代入（2）式得：由此可见,利用3个已知点A,B,C的数值求出系数m0,m1,m2后,存

14、放在相应的内存单元,然后根据某点的x值代入式（1）即可求出被测值y。虽然二次曲线插值法的精度高，但其数学模型和算法较复杂，在程序中较复杂。因此在本系统中我们采用的是线性插值法，因为线性插值法中可知,只要n取得足够大就可获得良好的精度，而且程序较简单。3.3.2 气敏传感器的电路传感器电路如图9所示 图9传感器电路H到H为加热电阻，为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)称为加热电阻，气敏元件一般工作在200以上高温。气敏元件正常工作所需的加热电路功率一般在W范围。因此，如果在系统采用单电源工作时，会产生很大压降，必须采用多电源工作，才能使气敏传感器工作在正常的电压下。A到

15、A为气敏元件的电阻值（在常温下洁净空气中的电阻值），一般其电阻值在(103105)范围。RL为分压电阻，当空气中气体浓度发生变化时，气敏元件的电阻值将会改变，从而,Vout 的电压值也将会改变。 功率放大器集成电路（LM386） 3. 4.1 LM386概述 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。L

16、M386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM386的内部电路图及引脚排列图如图10、图11所示：图10. 内部电路图图11 引脚功能图3.4.2 LM386的特征 静态功耗底，约为4mA，可用于电池供电。 工作电压范围宽，4-12V或5-18V。 外围元件少。 电压增益可调，20-200. 低失真度。储存温度-65至+150 操作温度0至+70 结温+150 LM386的典型应用电路) 图12 LM386的应用电路 报警模块 3.5.1 声音报警图14 喇叭实物图音频板块是由音频电路和喇叭(8欧，瓦)构成。音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。SPCE061A 内置2路10位精度的

17、 DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。可以工作在6V 范围内，最大输出功率可达700mW。喇叭能进行语音提示，使本设计更人性化。/3.5.2 发光二极管报警该电路将通过发光二极管（LED）闪亮来实现光报警。 自动控制模块自动控制，就是当检测到车内酒精浓度超标时，自动及时警告驾驶员，并强制将发动机熄火。4 整体电路设计 电路的组成？ 电路主要是由三端稳压块IC4（W7805）、大功率开关电路IC1（TWH8778A）、语音电路IC2（TM801）、功放电路IC3（LM386）及QM-NJ9型酒精传感器、继电器KA等组成。BL是1瓦、8欧姆的小型扬声器。 电路图 图15 电路分析如图15

18、所示，12V电源经隔离二极管VD1、C1滤波以后分为多路：一路经电阻R1限流使LED1导通发光；另一路经IC4压为（5）V后提供给酒精传感器，使传感器得到稳定的工作电源，使其工作稳定；还有一路提供给IC1，由该电子开关导通以后，为后级电路提供工作电源。当酒精传感器未检测到酒精气味时，其B端电位较低，经RP1分压后加到IC1上的控制电压不能使电子开关导通，后级电路因无供电而无法工作；当酒精传感器检测到酒精气味时，其B端电位就会随检测到的酒精浓度的增加而上升。当该点电压上升到使IC1控制极上的电压为以上时，IC1被控制导通，它的输出端就有电压输出，该电压分为多路：一路经R3、R5为语音集成电路IC

19、2提供供电；另一路加到功放电路IC3上。这两路供电使报警电路工作。IC2产生的语音信号经电容C5耦合，加到IC3上，再经功率放大以后输出。该信号一路使LED2发光二极管闪亮；另一路经C8驱动扬声器BL发出“酒后别开车”的语音报警声，从而实现声、光报警。IC1导通后输出电压的第三路加到继电器KA线圈上，使其得电吸合，其常闭触点KA1断开，从而切断了车辆点火电路，强制发动机熄火。5 总结本设计研究了一种以气敏传感器为核心的酒精浓度检测报警器，其能快速、精确得对驾驶员呼出气体进行酒精浓度检测，当浓度超过预设值时，实现光电与声音的报警，并强制将发动机熄火。开发与调试的过程中，我们遵循由易到难，由简到繁

20、，循序渐进的过程。我们将具体过程分为以下五个步骤进行： (1)：理论准备，重点是各元件应用环境的熟悉。 (2)：将系统划分为传感器，稳压电路，功率放大器集成电路三大模块 。(3)：初步设计制作实现上述各模块的功能。 (4)：组装系统，测试系统的整机性能。(5)：系统调试。 作为一名自动化大二的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在已度过的两年时间里我们大多数接触的是专业基础课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢做类似的作业就为我们提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的

21、当数查阅大量的设计手册了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电子电路设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。我们做设计，一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法成为设计。 作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，由于本次课程设计要求用protel绘图，因此要想更加有效率的制图，我们必须熟练的掌握它。边学边用这样才会提高效率，这是我作本次课程设计的第二大收获。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。参考文献1姜 威. 实用电子系统设计基础.北京理工大学出版社,20082黄贤武.传感器原理与应用.电子科技大学出版社,高等教育

22、出版社.20063杨表行.模拟电子技术基础.高等教育出版社.20064刘征宇.电子设计实战攻略.福建科学技术出版社.20066宋文绪.传感器与检测技术J.高等教育出版社.20047谭博学.集成电路的原理及应用（第二版）.电子工业出版社.20078杨素行.模拟电子技术基础.高等教育出版社.20059 附录一:报警器的原理图附录二: 配件清单类型】标识符元件封装元件名称数量值电容C1!Cap12000uF电容C2Cap1-220uF电容C3C1206Cap Semi1220uF电容C4C1206Cap Semi1220uF电容C5C1206#Cap Semi1220uF发光二极管D1LED-1LE

23、D11(发光二极管D2高电导快速二极管D3DO-35Diode 1N9141语音电路J*DPDT-6TM8011气敏传感器K1QM-NJ9QM-NJ91)扬声器LS1PIN2Speaker1Header, 2-Pin, Right Angle&P1HDR1X2HHeader 2H1Header, 2-Pin, Right AngleP2￥Relay-spst1电阻器R1Res21电阻器R2Res21300电阻器、R3Res211K电阻器R4Res21240K电阻器R5Res213KSquare Trimming PotentiometerRP1TO-262-AARPot SM1大功率开关U1TO-220-ABTWH87781功放集成芯片U2LM3861稳压器VR178051