酒精浓度检测通道课设设计

1、 本科生课程设计（论文） 2 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 信号变换综合设计信号变换综合设计 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：酒精浓度气体测量仪测量通道设计酒精浓度气体测量仪测量通道设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2013.12.302013.12.302014.01.102014.01.10 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器 注：成绩：平时40

2、% 论文质量40% 答辩20% 以百分制计算 学 号110301032学生姓名吴迪专业班级测控112 设计题目酒精气体浓度测量仪测量通道设计 课程设计（论文）任务 设计任务：设计任务：设计一个酒精气体浓度测量装置，可用于酒后驾车司机是否 饮酒及酒量的检测。传感器 SnO2 气敏元件的传感器，设计放大滤波等信号 处理电路；输出一定的电压值即可。电路板焊接后，采用万用表等检测电压 输出。进行电路仿真，或进行电路板焊接。 技术要求技术要求: : 环境温度：-30+40C； 控制电路可使用电源供电。 传感器（敏感元件）：自行选择传感器类型，自己设计放大电路 说明书要求说明书要求: : 1.格式规范，符

3、合学校要求； 2.说明书中应有方法比较与方案论证，光电测量原理（公式）及具体的 实现方案、电路器件型号、参数等；硬件电路应用 Multisim 绘制，并且进 行电路板焊接、调试；不能采用单片机设计。 3.按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程， 字数应在 4000 字以上。 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。 （2 天） 2、选择相应传感器、设计硬件电路图。 （2 天） 3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。 （3 天） 4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。 （2 天） 5、撰写、打印设计说明书、答辩。 （1 天） 指导教师评语及成绩 平时

4、： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 摘 要 机动车驾驶员酗酒后开车以及从事危险工作行业的人员酗酒后操作，都会造成严 重的事故。用简便、准确、卫生的检测仪器进行检测，消除在饮酒方面的隐患，对减 少因酗酒造成的事故 ，保护驾驶人和行人的人身安全具有重大意义 。 本次设计的酒精浓度检测仪 的通道设计，采用先进的薄膜传感器，并组成全桥 式电路，能更加准确灵敏的采集信号。该种传感器的输出信号 比较小，用多级运放 将其放大后用滤波电路，对信号进行优化，排除干扰和噪声。后对其与基准电压进行 比较，以此来驱动显示电路，获得想要测量的浓度检测信息。 该酒精

5、检测仪器性能稳定，测量灵敏，抗抗高频干扰能力强。适用对是否酒驾的 检测，检测结果可靠 ，测量效果很好，具有的一定社会效益和开发前景。 关键词：酒精浓度检测仪；运算放大电路；比较电路 本科生课程设计（论文） III 目录 第一章第一章 绪论绪论 .1 1 1.1 酒精检测仪国内外发展现状 .1 1.2 酒精检测仪的工艺和特点 .1 1.3 酒精检测仪的指标 .2 第二章第二章 总体设计总体设计 .3 3 2.1 总体流程框图 .3 2.2 电路组成和分析 .3 第三章第三章 电路设计电路设计 .5 5 3.1 气敏传感器的选型和电路设计.5 3.2 运算放大器的设计和分析.6 3.3 滤波电路的

6、设计和分析 .7 3.4 比较选择电路.7 3.5 显示电路 .8 第四章第四章 电路仿真电路仿真 .9 9 4.1 传感器模拟仿真信号 .9 4.2 运算电路仿真结果 .9 4.4 电压比较器电路仿真结果 .10 第五章第五章 设计与总结设计与总结 .1111 参考文献参考文献 .1212 附录附录 I I.1313 附录附录 IIII.1414 本科生课程设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 酒精检测仪国内外发展现状 随着汽车业的发展，世界的汽车总量也在增加。随之而来的是交通事故次数 的增长。事故大多是因为饮酒驾车，所以用来控制酒驾的酒精检测仪的需求在逐 渐的增加。目前，国内外酒精检测仪

7、主要还是电化学性的。在方式上主要有如下 两种：一种是发光管显示；一种是数码管显示。发光管显示一半常见的分为三段 显示：一段为未饮酒区；一段为饮酒区；一段为酗酒区。根据测试的情况，相应 的指示灯被点亮。另一种是数显式酒精检测仪，检测结果以数字的形式显示出来。 而在最近两年出现了一种新型比较流行的半导体酒精检测，这是一种高可靠、高 精度、呼吸式酒精检测仪。它的核心部件采用新型高科技微变氧化物半导体，可 以准确探测气体酒精浓度，且不受烟味、可乐、咖啡等非酒类气体的干扰。小巧 轻便，操作简单，便于携带。 1.2 酒精检测仪的工艺和特点 顾名思义，酒精检测仪的检测对象是用于酒精浓度的检测。本酒精检测仪选

8、 用二氧化锡（SnO2）材料，其具有较高的灵敏度、且最高灵敏度对应的工作温度 较低、电路简单、造价低廉、使用方便等特点。基于薄膜工艺开发出了以二氧化 硅薄膜为感应薄膜的乙醇气敏传感器，为制作出性能优良的传感器提供了一种好 的选择。 二氧化锡薄膜气敏传感器属表面控制型，其表面电阻变化决定于薄膜表面吸 附气体与半导体材料之间的电子变换。通常感应薄膜工作环境是空气，空气中的 氧电子兼容性较大，与半导体材料接触时吸附表面电子锁带的负电荷，使 N 型半 导体材料的表面空间电荷区域的传导电子减少，导致薄膜表面电导下降，于是薄 膜表面处于高阻状态： （1-1） 式中：为吸附负电荷的氧；e 为氧束缚材料中的电

9、子电荷；n 为若干个数。 n O 一旦感应薄膜与被测气体接触，被测气体就会与薄膜表面吸附的氧发生化学 n OneO2 2 1 本科生课程设计（论文） 2 反应。乙醇气敏传感器就是利用二氧化锡感应薄膜表面吸附乙醇气体后表面电阻 的变化来测试乙醇浓度的。其原理是当 N 型的二氧化锡膜被加热到一定温度后， 其空穴中的电子将吸附在其表面的氧气分子变成带电状态，此时气敏薄膜的电阻 发生相应变化，该过程可以用(1.2)表示： （1-2） OegasO22)( 2 经过该过程后二氧化锡薄膜才会对被测气体具有还原性敏感，通常将该过程 成为敏感化过程；当敏感化后的二氧化锡薄膜接触到乙醇气体时，乙醇气体分子 与

10、SnO2 表面带电的氧离子发生如下反应： （1-3）OHgasCHOCHOgasOHHC 2352 2)(2)( 从式（1.3）中可以看出，反应结束后电子重新回到 SnO2 表面的空穴当中， 于是二氧化锡薄膜的表面电子再次发生变化，根据标定的数据可以推算乙醇气体 的浓度。 1.3 酒精检测仪的指标 选用元件的原则主要考虑对酒精（乙醇）气体敏感的传感器，并且在较低浓 度时就能有比较敏锐的反应，在了解较多生产酒精气体传感器生产厂商的元器件 性能后，本设计选用费加罗公司生产的酒精气体传感器 TGS822，它的主要性能 参数如下： 酒精测量范围：50-5000ppm； 灵敏度（电阻比）：0.3-0.5

11、； 电路电压：24V（DC/AC）； 加热器电压:5V0.2V (DC/AC)。 本科生课程设计（论文） 3 第二章 总体设计 2.1 总体流程框图 2.2 电路组成和分析 测量电路：采用全桥的方法。相对的的两个桥壁采用同极性的气敏传感器， 相邻桥壁采用相反极性的气敏传感器。这样做可以提高检测灵敏度，防止酒精气 体在较低浓度时测量产生误动作。如图 2.2 为使用电桥法测量乙醇气体浓度的电 路原理图。 图 2.1总体流程图 本科生课程设计（论文） 4 由电路原理可以得到： ) 12( )22( 运算电路：将从传感器得来的信号，进行放大，一便后来进行处理。 滤波电路：把放大的信号进行滤波，排除干扰

12、信号，保证测量的真实和准确。 锁存：由于检测到的电压信号时连续的时间信号，它的幅值是在时刻变化着 的，我们想要得到的是在呼出气体量中浓度的最大值，但是传感器检测到的最大 值时间很短，如果要求检测者在这短时间内观察被检者呼气方式是否正确、又要 观察读数并读取最大值，眼睛会应接不暇，极易漏读、误读。本设计用 2 个与非 门组成一个最基本的 SR 锁存器，对于由测量值与标准值的比较得到的输出有用 信号及时保存，这样在连续的检测过程中就能选择到在这个连续过程中的输出最 大值，并及时保存到锁存器中来，驱动第四部分的显示电路一直作用。 显示电路：在来自锁相器的信号为高电平时，发光二极管接受到的信号能使 L

13、ED 灯泡点亮，如果输出为低电平，也就是说被检测气体中乙醇浓度没有超标， 比较放大输入为反向端有效，输出信号被置成低电平，锁相器未动作，由锁相器 输出的是未被保存的低电平信号，没能让 LED 灯泡点亮，这样就完成了设计的 全过程。如果想要测定在不同浓度段的不同指示，可以选用多个比较放大部分， 即设定多个电压变化基准，这些变化基准各自有自己的后续电路，这样就能在一 次检测中标定在浓度方面的更加精确地范围，在不同的浓度范围做不同的信号指 示，使得应用更加广泛。 图2.2全桥电路 ）（ sbsb b -)( )( RRRRR RRV V L LC RL ）（ sbsb sb -)( )-( RRRR

14、R RRRV V L LC RL 本科生课程设计（论文） 5 第三章 电路设计 3.1 气敏传感器的选型和电路设计 通过对实验要求的分析，选用酒精气体传感器 TGS822 可基本满足设计要求。 TGS822 内部电路图： 此传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（VH）和回路电压（VC）。这个 VH 用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。 VC 则是用于测定与传感器联的负载电阻（RL）上的两端电压（VRL）。这种传 感器具有极性，所以 VC 需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求，VC 和 VH 可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化，并使敏感素子的功

15、耗 （PS）低于 15mW 的限度值，需要选择 RL 的值。 将两对相反极性 TGS822 接成全桥测量电路，这样可以消除非线性无差，减 小干扰。提高灵敏度，使灵敏度为普通传感器的 4 倍。可以更加准确的得到传感 输出信号。传感器 TGS822 检测到得酒精浓度范围是 50-5000ppm，而对应的转化 为电压为 40uV-2000uV，而我们设定的酒精超标范围是大于等于 1200ppm，这样 同样的电压将为 660uV，这样在选择基准的时候就设定这个值作为基准电压。 图 3.1 传感器内部原理图 本科生课程设计（论文） 6 3.2 运算放大器的设计和分析 信号放大部分本设计选用运算放大器 L

16、M324，由运算放大器 LM324 组成双运 放高共模抑制比放大电路和单运放进行两级放大。 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格 低廉等优点，可以应用在反向交流放大器中、同向交流放大器中、交流信号三分 配放大器和比较器等各种电路中。，LM324 可以工作在低到 3.0V 或者高到 32V 的电源下正常工作，共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采 用外部偏置元件的复杂性、输出电压范围也包含负电源电压。 电路分析： 第一级 输出电压： （3-1） 此电路能够抑制共模信号，对传感器输出的信号进行放大。100 1 K 由于传感器输出信号太小需要进行多级

17、放大。 第二级 输出电压： (3-2) 由多级放大电路输出的基准电压为：U=4000660uV=1.32V )(99 1 99 1 212 5 6 1 31 64 iiii uuu R R u RR RR U 图 3.2 运算放大电路图 12011 8 9 UoUo R R Uo 本科生课程设计（论文） 7 3.3 滤波电路的设计和分析 本实验选用由 LM324 组成的无限增益多路反馈型电路，滤波电路的作用： 滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直 流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器。 其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定

18、频率。本设计选用的是无限增益多 路反馈型二阶低通滤波电路。引入多路反馈，构成反相输入的二阶低通滤波电路， 这样能提高滤波电路的性能。 在阻抗选取方面： ，kRR09 . 3 21 kR12 . 4 3 FCC1 21 由此可以计算出 (3-3) srad CCRR W/3 .280 1 2132 0 所以其固有频率为 (3-4) HZ W f 6 . 44 2 0 0 3.4 比较选择电路 比较电路选：用由 LM393 比较器，由放大电路得来的酒精浓度超标临界值 1.32V 作为比较基准，由反向端输入，把实测的信号从同相端输入，如果大于 1.32V 则输出高电平，反之输出低电平。 图 3.3

19、滤波电路图 本科生课程设计（论文） 8 电路分析： 为引线电阻，,当比较器同相端输入VU32 . 1 12%11 大于 1.32V 时输出高电平，小于 1.32V 时输出低电平。 3.5 显示电路 本设计显示电路有 D 触发器，LED 灯和电阻串联组成。选定电阻参数时只是为了 限制 LED 的阴阳极间的电压不会越变过大为可，所以选择上都选择了方便买到 的 220 的电阻，主要是完成对电压的限制，这样这个阻值完全可以胜任。由于 检测到的信号是连续的一系列脉动信号，大小检测值在时刻的波动，人眼不能及 时把握最大值，所以我们应用数字电子技术基础里面讲到的锁存器保留被检 测到的有用信号，用或非门 SR

20、 锁存器构成 D 触发器用来延长 LED 响应时间。 显示原理：当由比较器输出的信号为高电平时，LED 灯被点亮，表示被测气体酒 精浓度超过标准大气酒精浓度（饮酒） 。当由比较器输出的信号为低电平时， LED 灯不会被点亮，表示被测气体为为标准大气酒精浓度（未饮酒） 。 图 3.4 比较器电路图 图 3.5 显示电路 KR10 3 本科生课程设计（论文） 9 第四章 电路仿真 4.1 传感器模拟仿真信号 用正弦带高频干扰信号模拟为传感器输出信号进行仿真。 测量信号：, f=10HZmVV PP 8 . 0 干扰信号：, f=1000HZmVV pp 1 . 0 4.2 运算电路仿真结果 将模拟

21、传感器输出信号进行一级放大（黄线） ，K1=100，Vo=0.08V。 第二级放大（红线） ，K2=200，Vo=1.6V。 图 4.1 传感器输出电压仿真波形 图 4.2 两级运算放大电路的电压输出仿真波形 本科生课程设计（论文） 10 4.3 滤波电路仿真结果 将运放输出波形接到滤波电路进行电路仿真。 仿真结果： 因为模拟输入信号为低频 f=10HZ，输出波形与模拟输入的正弦信号相符， 经此滤波器能够消除高频干扰和噪声，达到滤波目的。 4.4 电压比较器电路仿真结果 图 4.3 滤波电路输出电压仿真波形 图 4.4 本科生课程设计（论文） 11 第五章 设计与总结 本次设计严格遵照任务书的要求，仅采用传感器和控制电路来实现酒精气体 浓度的通道设计。通过对日前现有技术的了解，经过研究和总结归纳。从经济， 开发前景和创新等多个角度出发，明确了设计方向。 该酒精弄浓度检测通道用先进的高灵敏度酒精传感器组成经典的全桥电路组 成传感器采集模块。在对传感信号进行放大，滤波。再经电压比较模块，通过与 计算得到的基准电压进行比较，得到比较信号驱动显示电路，得到测量结果。设 计后通过仿真软件 Multisim 进行仿真，得