课程设计---气敏传感器为核心的酒精浓度检测报警器.doc

目录摘 要11 引 言12.1 设计要求12.2 方案设计论证22.2.1 检测模块22.2.2气敏传感器选择22.2.3 稳压电路的选择32.2.4 声音报警模块32.3 系统整体框架43.1 电源模块43.2 稳压电路43.2.1 三端稳压集成电路780543.3信号采集模块73.3.1 气敏传感器的原理73.3.2 气敏传感器的电路83.4 功率放大器集成电路（lm386）83. 4.1 lm386概述83.4.2 lm386的特征93.4.3 lm386的典型应用电路103.5 报警模块103.5.1 声音报警103.5.2 发光二极管报警103.6 自动控制模块114 整体电路设计114.1 电路的组成114.2 电路图114.3 电路分析115 总结12参考文献13附录一:报警器的原理图13附录二: 配件清单15致谢1516摘 要本设计利用三端稳压集成电路(7805)和功率放大器集成电路(lm386)，并以气敏传感器(qmn-j9)为核心设计来实现对汽车内驾驶员呼出的气体（主要是对酒精气体的浓度进行检测）进行实时检测。当酒精浓度大于设定的允许浓度值时，能实现光电与声音报警提醒司机注意，然后强制发动机熄火等功能。整个框架主要分为六个模块：1、稳压电源模块；2、酒精气体检测模块；3、大功率开关电路控制模块； 4、语音报警模块；5、led发光报警模块；6、自动控制模块。关键字：酒精传感器、检测、报警 天子门客1 引 言随着人类社会的不断进步，科学技术的突飞猛进，给我们的生活带来了日新月异的变化。汽车已然成为现代社会必不可少乃至无可取代的产物，所以我国汽车的总数不断增加，从而导致交通事故的不断发生，而其中酒后驾驶导致的事故的占大部分。而且中国人的请客劝酒文化根深蒂固，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2.1 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。当酒精浓度大于某一设定值时，电路会工作继而报警提醒司机用户，而且还能强制发动机熄火。2.2 方案设计论证2.2.1 检测模块 检测模块电路中最重要的部分，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。 红外发射接收管的原理是用红外线发射管发出红外线，经过需要检测空气质量区域空间，在检测空间的另一端用红外接收管接收经过空气调制的红外线信号。然后将接收到的信号进行处理，得出空气质量信息（气体温度、浓度等）。红外发射接收管检测距离远，精度很高，远距离响应速度快，适合用于高端专业测量设备。但是硬件设备要求较高，信息处理算法较复杂，开发成本较高。因此我们选择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气敏传感器选择方案1：直热式mno半导体气敏传感器制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用、价格低廉的可燃气体泄漏报警器。但是其热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间巷削辑离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。方案2：旁热式mno半导体气敏传感器 图2 旁热式气敏元件结构示意图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。 综上我选择了方案二旁热式mno半导体气敏传感器（qm-nj9型）。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 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 2.2.3 稳压电路的选择传统三端线性直流稳压电源虽然效率低、需要较大的散热器、系统成本高。但是其成本低、简单易用、元器件化。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1：蜂鸣器发音报警蜂鸣器是一种给它接上一定电压后发出“嘀嘀嘀”响声的发音设备。其耗电低，发音效果好，容易引起人们注意，不过其功能小，应用领域不大方案2：扬声器报警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。虽然很贴近实际，可以让人不必再用“解码”就可以知道，但是其声音响度不够。方案三：蜂鸣器和扬声器同时用当检测到有害气体浓度超标的时候，先发出一段“嘀嘀嘀”蜂鸣声，引起人们注意之后再通过扬声器警告驾驶员。经过考虑，单用蜂鸣器和单用扬声器都不能很好的解决问题，不能打到一个很好的报警效果，我们结合两者的优点，同时使用，电路结构复杂成都并没有加大，固我们选择用第三方案。2.3 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：开关电路控制模块声音报警模块气体采样模块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 3.1 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。3.2 稳压电路 3.2.1 三端稳压集成电路7805 图4 7805的实物图顾名思义，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，但应用时需注意：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。 3.2.2 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。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(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。3.4 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。lm386的内部电路图及引脚排列图所示如下：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 3.4.3 lm386的典型应用电路 图12 lm386的应用电路3.5 报警模块 3.5.1 声音报警 图13 蜂鸣器实物图 图14 喇叭实物图音频板块是由音频电路和蜂鸣器、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。蜂鸣器的作用是提醒用户，而喇叭能放出人的语音提示，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。3.6 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。4 整体电路设计4.1 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。 4.2 电路图 图154.3 电路分析如图15所示，12v电源经隔离二极管d1、c2滤波以后分为多路：一路经电阻r2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r1、r3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c3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c4驱动扬声器bl发出“酒后不许开车”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j1线圈上，使其得电吸合，其常闭触点断开，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，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。 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 /download/index.aspx10 /dispbbs_76_2486_1724_skin1.html11 /image/b8405490eafba7dea877a4e9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-0.3c