动态效果讲解酒精气体报警器传感器课件

酒精气体报警器 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，设计了一个实时 性高、性能稳定、经济实用的酒精浓度检测报 警器。 ？ 系统整体框架 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。 1.1检测模块 数字检测模块是检 测器的心脏，只有 准确可靠的检测气 体才能让检测器准 确正常的工作。 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 选择方案为 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。 ？ 1.2气敏传感器选择 旁热式MnO半导体气敏传感器 （ QM-NJ9型） 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。 它 QM-NJ9的特点 ：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 ）：50.2V、 回路电压（Vc）： 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:0.7W 检测范围:505000ppm 1.3 稳压电路的选择 方案1：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 方案2：SIP封装的开关直流稳压电源 采用了业内领先的塑封压模块工艺，大大提高了产品在恶劣 环境中的工作能力和寿命，不过电路中的“热点”无法消除、 功率密度不够高、无法进行自动贴片。 基于电路的考虑选择了方案一传统三端线性直流稳压电源（7805芯片） 1.4 声音报警模块 选择方案 扬声器 用扬声器发出设计时实现录制好的声音，提醒驾驶员 切勿酒后驾驶等等情况。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 系统硬件设计 2.1电源模块 2.2气体检测模块2.3开关电路控制模块2.4声音报警模块2.5显示模块 2.6自动控制模块 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： 气体检测模块 电 源 模 块 开关电路 控制模块 声音报警模块 LED发光报警 自动控制模块 2.1 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1.5V的7 号电池。 2.2 稳压电路 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。 当制作中需要一个能输出 1.5A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1.5A 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。 2.21三端稳压集成电路7805的简单介绍 2.22 7805应用 电路7805集成稳压器的典型应用电路如上图所示， 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 2.3信号采集模 2.3.1 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 气 敏 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） 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） ，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。 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： 简简化后得： 式中： 为为第 段 直线线的斜率 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,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： 式中 根据、B、C三点求出 当时， 代入（1）式可得 又根据式 时 可知： 把和代入式（1）得： 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。 2.3.2 气敏传感器的电路 传感器电路如图 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(0.52.0)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。 2.4 功率放大器集成 电路（LM386） 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 LM386的典型应用电路 2.5 报警模块 2.5.1 声音报警 2.5.2 发光二极管 报警 音频板块是由音频电路和喇叭(8欧 ，0.5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 DAC，只需要外接功放电路即可完 成语音的播放。可以工作在2.46V 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 该电路将通过发光二极 管（LED）闪亮来实现 光报警 2.6 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。 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。 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（50.2）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1.6V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IC2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。 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C1RAD-0.3Cap12000uF 电容C2RAD-0.3Cap1220uF 电容C3C1206Cap Semi1220uF 电容C4C1206Cap Semi1220uF 电容C5C1206Cap Semi1220uF 发光二极管D1LED-1LED11 发光二极管D23.5X2.8X1.9LED31 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LS1PIN2Speaker1 Header, 2-Pin, Right AngleP1H