酒精浓度自动检测、显示、报警、控制系统设计

XXXX 大学自动化专业 2010 级 传感器原理及应用课程 设计说明书 设计题目 酒精浓度自动检测 显示 报警 控制系统设计 学 号 XXXXXX 姓 名 XXXXX 完成时间 至 总评成绩 指导教师签章 设计题目 酒精浓度自动检测 显示 报警 控制系统设计设计题目 酒精浓度自动检测 显示 报警 控制系统设计 一 题目的认识理解 1 1 课题背景 课题背景 生命安全问题一直是人类高度关注的问题 对人类生命安全造成威胁的因 素也有很多 其中 酒后驾车就是一个非常重要的威胁因素 酒后驾车造成交 通事故不计其数 带来巨大危害 据统计 全国发生的交通事故中 50 60 是 由酒后驾车引发的 酒后驾车引发的 酒后驾车发生事故的几率高达 27 随 着摄入酒精量的增加 选择反应错误率明显增加 当血液中酒精含量由 0 5 增至 1 发生车祸的可能性便增加 5 倍 如果增至 1 5 可能性再增加 6 倍 酒后驾车造成的交通事故对国家 他人 自己产生了难以估计的后果 酒后驾 车问题如何解决 每个国家都在努力寻找办法 目前 几乎所有的国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行检测 以确 定被测量驾驶员时血液中酒精含量是否超标 目前 市场上警用酒精测试仪种 类繁多 功能强大 灵敏度高 但是由于它没有安装在汽车内部 只能由交警 人员来实施 因此并不能从根本上杜绝酒后驾车 酒后驾车事件仍时有发生 为了能防患于未然 将交通事故扼杀在萌芽状态 同时给交通管理部门减 轻工作压 提供科学的管理手段 本设计提出了一种车载酒精探测及安全控制 系统 该系统安装在汽车上 不用交警测试 系统就可以自动判断司机是否酒 后驾驶 从而控制车辆的点火系统 即确保了司机的安全 又能减少交警等人 员的工作量 2 2 题目理解题目理解 本次题目要求实现酒精浓度自动检测 显示 报警 控制系统设计 要求 能够检测 因此需要有个气敏传感器 显示部分 可以用发光二级管代替不同 浓度的酒精测试显示结果 不同浓度之间显示不同 因此需要用到比较器 可 以进行区别浓度差异 当酒精浓度偏高时 要求能够报警 可以用蜂鸣器进行 报警 最后结合实际 此设计可做为车辆酒精探测控制仪 检测驾驶员的醉酒 程度 从而达到报警以及控制车辆点火系统的目的 二 设计任务要求 1 采集实验数据 了解酒精浓度与气敏计的关系 2 查阅资料介绍本课题的背景及意义 3 对驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统的主要元器件进行比较选择 4 在主要元器件确定的基础上进行硬件和软件设计 5 通过仿真模拟实现系统的功能 1 能根据驾驶员呼出气体检测出驾驶员血液中酒精浓度并用指示灯 示 2 当驾驶员呼出气体的酒精浓度未超标时 绿色指示灯点亮 继电器 触点闭合 汽车可正常启动 3 当驾驶员呼出气体的酒精浓度超标但不足以影响行车安全时 黄色 指示灯点亮 汽车可以正常启动 4 酒精浓度严重超标 影响到行车安全时 继电器触点不结合 点火 装置电源电路断开 汽车无法启动 6 对本设计进行总结分析 三 设计所需基础知识及工具 1 基础知识 1 电路理论中电阻电路的分析 模拟电子线路中二极管 三极管特性 运算放大器 比较器 功率放大器等知识 2 数字电子线路中数字信号 门电路特性 模拟开关等知识 3 传感器技术中的气敏原理及应用 测控电路等知识 2 设计工具 1 电子电路 EDA 仿真软件 Multisim10 2 电子线路设计软件 Protel99SE 四 方案设计及其论证 1 酒精浓度检测仪总设计方案 设计时 考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量 传感器输出的 是 0 5 伏的电压且电压值稳定 外部干扰小等 因此 可以直接把传感器输 出电压值经过比较放大直接带动指示灯 此外 还需接入报警系统 点火装 置电源控制电路等 其总体框图如下图所示 2 传感器选型 2 1 本电路设计主要用到气敏传感器 本电路设计主要用到气敏传感器MQ 303A 1 特色 高灵敏度 低能耗 小巧的外型 2 应用 MQ 303A是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器 对酒精具有 高的灵敏度和快速的响应性 适于便携式酒精探测器和汽车燃火系统等等 3 结构 半导体气体敏感部分是一个微型珠状小球 内嵌加热丝和金属电 极 敏感元件安装在有防爆功能的双层 100 目不锈钢网的金属壳内 如上图 1 C 4 工作条件 图 2 是这种元件的测试电路 通过固定或可调外接负载电阻 上电压的变化获得元件电阻的变化 为了使元件发挥其好的功能和特定的性能 加热电压 回路电压和负载电阻须限制在下页图表所示的标准工作条件内 传 感器通电后通常需要数分钟的预热方可进入稳定工作状态 也可在正常检测前 给传感器施加 5 10 秒钟 2 2 0 2V 的高电压 使传感器尽快稳定并进入工作状 态 5 灵敏度特性 图 3 是 MQ 303A 的灵敏度特性曲线图 灵敏度特性图反映 了元件电阻和气体浓度之间的关系 元件的电阻与气体的浓度呈对数关系 随 气体浓度的增加而减小 2 2 点火系统和报警系统采用的是 点火系统和报警系统采用的是LM339比较器 比较器 LM339 集成块内部装有四个独立的电压 比较器 该电压比较器的特点 1 失调电压小 典型值为 2mV 2 同向输入端与反向输入端电压相差 10mV 就可以实现比较 3 电源电压范围宽 单电源为 2 36V 双电源电压为 1V 18V 4 对比较信号源的内阻限制宽 5 共模范围很大 为 0 Ucc 1 5V Vo 6 差动输入电压范围较大 LM339 引脚图 5 电路设计及分析 1 显示电路设计 任务要求是十档显示电路 所以采用比较器和发光二极管即可实现显示 电路的要求 然后采用是个电阻进行等比分压 这样十档显示电路可均分到 0 5V 电压 经过调节 十个分压电阻采用 1K 的阻值即能实现分压功能 发光二极管阳极连接比较器输出端 比较器所给的是反向比较电压 根据 气敏计的工作原理 在 Multisim 仿真时用滑动变阻器代替气敏计 不同阻 值即为不同的酒精浓度 具体元件型号的选择时 比较器使用 LM339N 集成块内部装有四个独立 的电压比较器 具有失调电压小 电源电压范围宽 对比较信号源的内阻限 制较宽 共模范围很大和差动输入电压范围大等特点 能很好的满足实验需 求 发光二极管的型号没有具体要求 能满足发光的需求即可 显示电路的电路原理图如下 上图为显示电路 下图为控制端电路 即用滑动变阻器替代的气敏计 根据滑动变阻器接入电路的不同阻值 从而实现对电路的调节功能 2 放大电 路设计及电 阻分配 下图 为放大电路 的电路图和 所使用的 OP37 放大器的引脚图 下表为采集到的实验数据 由于实验采集的数据太小 不方便计算和控制 因此把实验数据放大 1000 倍进行计算 即以 1 5V 1 8V 2 2V 2 4V 2 7V 为参照分配电压 计算电路图中的回路电阻 酒精浓度 mg dL 205080100150 电压 mV 1 51 82 22 42 7 电阻计算公式 R I U 为了便于计算 固定回路电流 I 1 0mA 所以整个回路阻值 5 0K R 1000U 总 R 前三个电阻的电压 1 5V 01 U 前三个电阻总值 1500 1总 R I U01 最后平均分配后得500 8910 RRR 中间四个电阻的总阻值 700 2总 R 第四个灯要求在 1 8V 的时候是亮着的 即 300 7 R 其余三个电阻阻值根据标准阻值表合理分配即可 120 65 RR 160 4 R 第八个灯在 2 4V 时亮 200 3 R 其余两个合理分配为 100 21 RR 最后剩余 2 4K 电阻 即为 KR4 2 0 3 报警系统电路设计 报警电路用 LM339N 比较器和继电器 蜂鸣器构成 由于电路的显示系统输出电压太小 不足以驱动蜂鸣器的报警工作 因 此通过采用比较器和继电器实现对报警系统的控制 综合考虑整个系统的成本 此处的比较器采用和显示系统相同型号的 LM339N 即可 LM339N 的特点在前面已经介绍过 此处不再详细介绍 通过 对数据的调节可知 在第四个灯亮的时候 报警系统输入电压为 3 34V 因 此给 LM339N 正极加 5V 电压进行比较 便可在输出端输出高电平电位的 12V 电压 此电压值足以驱动继电器工作 蜂鸣器工作电压为 9V 因此 给蜂鸣 器加一 12V 的工作电压 当显示系统输入到报警系统的电压为 3 34V 时 比 较器输出 12V 电压 此时接通继电器工作 蜂鸣器便可正常工作报警 4 控制系统电路设计 控制系统的目的是通过对车辆点火系统的控制 当酒精浓度超标 点亮 第八个指示灯时 控制系统变进入接通状态 点火系统断开 汽车无法启动 控制系统电路原理图如下 控制系统由 LM339N 比较器和继电器组成 当第八个指示灯亮的时候 只是检测系统输入的电压值为 3 34V 因为控制系统的要求是当第八个指示 灯亮的时候切断供电系统 因此 监测系统电压通过阳极输入 此时阴极加 10V 的比较电压即可 当检测系统输入电压为 10V 此时第八个指示灯熄灭 时 比较器输出的是 12V 电压 继电器正常工作 汽车点火系统正常工作 当监测系统输入 3 34V 此时第八个指示灯亮 时 比较器输出的是 12V 电 压 继电器断开 汽车点火系统停止工作 以此达到控制汽车点火系统的目 的 六 设计总结 经过一个周的传感器原理及应用课程设计 我对 Multisim 仿真软件和传感 器的使用有了不同于以往的认识 从书本上的理论到现实中的数据采集 电路 设 计 元件选取以及电路调试 难度大大地增加 但是通过这一过程我对传感器 的 认识更加深刻 这对我今后从事该方面的学习工作是一个很好的基础 传感器课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际 问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 这次课程设计的题目是酒精浓度自动检测 显示 报警 控制系统设计 初看 题 目不知该如何下手 毕竟课程设计不同于实验课 电路图都要自己设计 不过 还 是在不断的坚持和努力之下很好的完成了这次的数字电路课程设计 通过这次 的 课程设计 我有很大的收获 一个星期 我们花了九牛二虎之力才把系统完成 这充分说明仅仅学习一 个 学期就想要做出多么完美的设计是难以想象的 要想真正地把传感器给学好 摸 透 我想 必须得把电路基础开始学透彻 这也正是我下一步打算去实现的 我 想 只要是我们认真地去学一样东西 那么什么东西都是有趣的 我确实很高 兴 这其中的乐趣也并不亚于画画 音乐等等 在这次实训中 我认为我学到了很 多东西 比如 关于电子线路实现的几个软件 Protel 和 Multisim 仿真软件 以前我对它们很陌生 自从完成了这次课题设计之后 我基本能完整熟练的操 作 它 通过这么多次的锻炼 我觉得我对专业认识更深刻了 对它的掌控更好了 我想这将对我今后设计有着深远的影响 以后一定会去钻研它的 7 主要参考资料 1 陈杰 传感器与检测技术 M 北京 高等教育出版社 2002 2 贾伯年等 传感器技术 M 第三版 福建 东南大学出版社 2007 3 郁有文等 传感器原理及工程应用 第三版 西安 西安电子科技大学出 版社 2008 4 张福学 现代实用传感器电路 北京 中国计量出版社 1997 5 邱关源 电路 北京 高等教育出版社 2006 5 附件 1 整机电路原理图 附件 2 仿真结果 如 测试数据 波形等 1 只有绿灯亮时电压表示数 2 黄灯亮 报警系统工作时电压表示数 3 红灯亮 控制系统工作时电压表示数 附件 3 元器件清单及成