酒精浓度智能监控系统设计

XXXX大学自动化专业2023级

传感器原理和应用课程

设计阐明书

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

完毕时间: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

一、题目日勺认识理解

1、课题背景

生命安全问题一直是人类高度关注的问题。对人类生命安全导致威胁的原因

也有诸多，其中，酒后驾车就是一种非常重要的威胁原因。酒后驾车导致交通事

故不计其数，带来巨大危害。据记录，全国发生的交通事故中，50犷60%是由泗

后驾车引起的，泗后驾车引起的，泗后驾车发生事故的几率高达27斩伴随摄入

泗精量的增长，选择反应错误率明显增长，当血液中泗精含量由0.5%。增至1%。,

发生车祸时也许性便增长5倍，假如增至1.5%。，也许性再增长6倍，泗后驾车

导致的交通事故对国家、他人、自己产生了难以估计口勺后果。酒后驾车问题怎样

处理，每个国家都在努力寻找措施。

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与否超标。目前，市场上警用酒精测试仪种类繁

多、功能强大、敏捷度高，不过由于它没有安装在汽车内部，只能由交警人员来

实行，因此并不能从主线上杜绝酒后驾车，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。同步给交通管理部门减轻

工作压,提供科学口勺管理手段，本设计提出了一种车载酒精探测和安全控制系统,

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与否酒后驾驶，

从而控制车辆的点火系统，即保证了司机的安全，又能减少交警等人员的工作量。

2、题目理解

本次题目规定实现酒精浓度自动检测、显示、报警、控制系统设计，规定可

以检测，因此需要有个气敏传感器；显示部分，可以用发光二级管替代不一样浓

度日勺酒精测试显示成果，不一样浓度之间显示不一样，因此需要用到比较潜，可

以进行区别浓度差异；当酒精浓度偏高时，规定可以报警，可以用蜂鸣器进行报

警；最终结合实际，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,

从而到达报警以和控制车辆点火系统的目的。

二、设计任务规定：

1、采集试验数据，理解泗精浓度与气敏计的关系；

2、查阅资料简介本课题的背景和意义。；

3、对驾驶室泗精浓度检测和安全控制系统的重要元器件进行比较选择；

4、在重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局限性以影响行车安全时，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、设计所需基础知识和工具

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，传感器输出时

是0-5伏日勺电压且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输

出电压值通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。

LM3914

点火系统报警系统

2、传感器选型

2」、本电路设计重要用到气敏传感器MQ・303A：

1）特色高敏捷度、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

高日勺敏捷度和迅速的响应性，适于便携式酒精探测器和汽车燃火系统等等。

极,敏感元件安装在有防爆功能的双层100目不锈钢网H勺金属壳内（如上图1C）o

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

上电压口勺变化获得元件电阻口勺变化。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原则工作条件内。传感

器通电后一般需要数分钟时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，使传感滞尽快稳定并进入工作状态。

标准测试电路

Vc则总电压

Vh加热电压Vc：5VDC

RL倒我电网

Vh：0.9V：DC

Rh加热电电

VRL负/电压RL员调（＞10KQ）

图2标准测试电路图3灵敏度特性

5）敏捷度特性图3是MQ-303A口勺敏捷度特性曲线图。敏捷度特性图反应了

元件电阻和气体浓度之间的关系。元件日勺电阻与气体的浓度呈对数关系，随气体

浓度的增长而减小。

2.2、点火系统和报警系统采用的是LM339比较器:

LM339集成块内部装有四个独立的电压

比较器，该电压比较器日勺特点：

1）、失调电压小，经典值为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-±：8V;

4）、对比较信号源H勺内阻限制宽；

5）、共模范围很大，为0~（Ucc7.5V）Vo;

LM339引脚图

6）、差动输入电压范围较大。

五、电路设计和分析

1、显示电路设计

任务规定是十档显示电路，因此采用比较器和发光二极管即可实现显示

电路的规定。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，通过调整，十个分压电阻采用1KQ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（比较器所给口勺是反向比较电压），根据气敏

计的工作原理，在Mullisim仿真时用滑动变阻器替代气敏计，不一样阻值即

为不一样的I酒精浓度。

详细元件型号日勺选择时，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H勺满足试验需

求；发光二极管的型号没有详细规定，能满足发光的I需求即可。

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时不一样阻值.从而实现对电路的调整功能c

2、放大电路设计和电阻分派

下图为放大电路的电路图和所使用日勺OP37放大器的|引脚图:

下表为采集到的试验数据:

酒精浓度mg/dL205080100150

电压mV1.51.82.22.42.7

由于试验采集H勺数据太小，不以便计算和控制，因此把试验数据放大10C0

倍进行计算，即以1.5V、1.8V、2.2V、2.4V、2.7V为参照分派电压，计算电

路图中口勺回路电阻：

电阻计算公式哈

为了便于计算，固定回路电流1=1.0mA

因此整个回路阻值"『5.OKQR=1000U

前三个电阻的电压4尸1.5\，

前三个电阻总值R⑴=%=1500。

心1J

最终平均分派后得No=R)=%=500。

中间四个电阻的总阻值R口2=70。Q

第四个灯规定在L8V的时候是亮着的I,即与二300Q

其他三个电阻阻值根据原则阻值表合理分派即可

/?5=/?6=120Q凡=160。

第八个灯在2.4V时亮/?3=200Q

其他两个合理分派为凡=R?=100。

最终剩余2.4KC电阻，即为R0=2.4KQ

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。

由于电路时显示系统输出电压太小，局限性以驱动蜂鸣器日勺报警工作，

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H勺成本，此处的比较器采用和显示系统相似型号的

LM339N即可，LM339NH勺特点在前面已经简介过，此处不再详细简介。通过对

数据的调整可知，在第四个灯亮的时候，报警系统输入电压为3.34%囚此给

LM339N正极加5V电压进行比较，便可在输出端输出高电平电位口勺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，蜂鸣器便可正营工作报警。

4、控制系统电路设计

控制系统的目H勺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卜：

VEE

VCC

-12V

A/EE::

VCC11

U11A

VCC11

25

0VVCC

LM339NJ2

；1mA0mA

Q汽车点火系统电路

VCC

0

VCC

12V；：

控制系统由LM339N比较器和继电器构成，当第八个指示灯亮的时候，只

是检测系统输入日勺电压值为3.34V,由于控制系统日勺规定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1CV

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，

比较器输出口勺是72V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FI勺是12V电压，继

电器断开，汽车点火系统停止工作，以此到达控制汽车点火系统的目口勺。

六、设计总结

通过一种周H勺传感器原理和应用课程设计，我对Multisim仿真软件和传感

器日勺使用有了不一样于以往日勺认识。从书本上的理论到现实中的数据采集、电路

设

计、元件选用以和电路调试，难度大大地增长。不过通过这一过程我对传感器的

认识愈加深刻。这对我此后从事该方面的学习工作是一种很好的基础。

传感器课程设计是培养学生综合运用所学知一只,发现,提出，分析和处理实际

问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的详细训练和考察过程。

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

目不知该怎样下手，毕竟课程设计不一样于试验课，电路图都要自己设计。不过

还

是在不停的坚持和努力之下很好日勺完毕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。

一种星期，我们花了九牛二虎之力才把系统完毕，这充足阐明仅仅学习一种

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时。我

想，只要是我们认真地去学同样东西，那么什么东西都是有趣的，我确实很快乐,

这其中H勺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，例如，有关电子线路实现的几种软件，Protel和Multisim仿真软件。

此前我对它们很陌生，自从完毕了这次课题设计之后，我基本能完整纯熟的操作

它。通过这样多次口勺锻炼，我觉得我对专业认识更深刻了，对它的掌控更好了,

我想这将对我此后设计有着深远日勺影响。后来一定会去钻研它的。

七、重要参照资料

[1]陈杰.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2023.

[2]贾伯年等,传感器技术[M].第三版.福建:东南大学出版社，2023.

[3]郁有文等.传感器原理和工程应用.第三版.西安：西安电子科技大学出

版社，2023.

[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,2023.5.

附件1:整机电路原理图

附件2：仿真成果（如：测试数据、波形等）

（1）只有绿灯亮时电压表达数

（2）黄灯亮，报警系统工作时电压表达数

（3）红灯亮，控制系统工作时电压表达数

附件3：元器件清单和成本估算

元件名称价格（元）数量（个）供应商总计（元）

杭州灿宇科技有限

MQ-3气敏计1.0011.00

企业

深圳市盛晶芯威电

0P37放大器0.8010.08