酒精濃度檢測報警電路設(shè)計

1、1引 言隨著社會的發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，城市交通成為制約城市發(fā)展 的一大因素，汽車已然成為現(xiàn)代社會必不可少乃至無可取代的產(chǎn)物，隨著 我國汽車的總數(shù)不斷增加，交通事故也在不斷發(fā)生，而其中酒后駕駛導(dǎo) 致的事故的占大部分。中國人的請客勸酒文化根深蒂固，在酒桌上往往會遇到勸酒的現(xiàn)象, 有的人總喜歡把酒場當(dāng)戰(zhàn)場，想方設(shè)法勸別人多喝幾杯，認(rèn)為不喝到量 就是不實在，喜歡“以酒論英雄”，一到喜慶節(jié)日酒后駕駛的現(xiàn)象更為 嚴(yán)重，如不及時提醒，后果將會不堪設(shè)想。所以這更需要對汽車內(nèi)的空 氣進(jìn)行實時監(jiān)測，以便及早得提醒駕駛員，有效的防護(hù)酒后駕駛，減少交 通事故。目前，在空氣檢測領(lǐng)域，各式各樣的氣敏傳感器層出不窮，

2、而各式 各樣的酒精檢測設(shè)備也應(yīng)運而生，且采用的都是對氣體信息進(jìn)行提取分 析，得出氣體的準(zhǔn)確信息，但現(xiàn)在這些空氣質(zhì)量檢測設(shè)備都有一個致命 的缺點是一-價格昂貴，以致于難以大量普及運用。除此之外，大部分功 能較單一、實時性較低。因此，開發(fā)一個實時性高、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟實 用的酒精濃度檢測報警器便是本設(shè)計的最終目標(biāo)。2系統(tǒng)整體框架設(shè)計要求在本次設(shè)計中，要求所設(shè)計的酒精濃度檢測器具有報警功能。當(dāng) 酒精濃度大于設(shè)定值時，光電和聲音報警電路會工作以提醒用戶，而且 還能強制發(fā)動機熄火。方案論證2. 2.1檢測模塊：檢測模塊是檢測器的核心，只有準(zhǔn)確可靠的檢測氣體才能讓檢測器 準(zhǔn)確正常的工作，選擇一個合適的氣敏元

3、件是非常重要的。因此我們設(shè) 計了下面的方案方案：氣敏傳感器檢測運用傳感器檢測，根據(jù)傳感器在不同氣體環(huán)境中電阻的變化，從而 引起輸出電壓的變化，將電壓信號傳給單片機分析。該方案雖然檢測距 離近，響應(yīng)速度較慢，精確度較低。但是輸出信號處理方便，價格便宜, 開發(fā)成本低，適合普通用戶使用我們設(shè)計的產(chǎn)品主要是面對普通用戶，并且只是在汽車內(nèi)，這種空 間比較小的地方，測量距離不用很遠(yuǎn)。當(dāng)駕駛員喝了酒上車的時候，酒 精很快就可以蔓延到車?yán)锏拿恳粋€角落，這樣傳感器也就很快就可以檢 測到酒精濃度在增加。因而我們選擇了價格比較便宜的氣敏傳感器作為 我們的檢測模塊。2. 22氣敏傳感器的選擇方案：旁熱式血。2半導(dǎo)體氣

4、敏傳感器圖2 旁熱式氣敏元件結(jié)構(gòu)示意圖其克服了直熱式的缺點，其測量極與加熱絲分開，加熱絲不與氣敏元 件接觸，免了回路間的相互影響；元件熱容量大，降低了環(huán)境氣氛對元 件加熱溫度的影響，并保持了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不過價格昂貴。近年來，使用二氧化錫(Sn02)氣敏元件制成的酒精檢測器，不僅對 酒精味敏感，對汽油味、香煙味同樣敏感，易造成檢測失誤，因此限制 了它的普遍推廣和使用。因此本設(shè)計使用一種性能穩(wěn)定、抗干擾能力強 的酒精傳感器QM-NJ9OQM-NJ9的特點是：專用于乙醇，酒精等有機液體蒸汽的檢測，對汽 油蒸汽有抗干擾的能力，而且靈敏度高，響應(yīng)速度好，壽命長、工作穩(wěn) 定可靠。其技術(shù)指標(biāo)為:加熱電

5、壓（V H ）AC 或 DC 5±回路電壓（Vc）最大24VDC負(fù)載電阻（R L ）4KQ清潔空氣中電阻（R a）W2000KQ靈敏度（S=R a /R dg）25 （在 1 OOppmC 2 H 5 OH 蒸汽中）分辨率（D二Riq/Rdq）23 （在lOOppm汽油蒸汽中）響應(yīng)時間（tres）W10S恢復(fù)時間（tres c）W30S元件功耗W檢測范圍505000ppm2. 2.3穩(wěn)壓電路的選擇方案：傳統(tǒng)三端線性直流穩(wěn)壓電源該方案成本低、簡單易用、元器件化，但是其效率低、需要較大的 散熱器、系統(tǒng)成本高。基于電路的考慮選擇了傳統(tǒng)三端線性直流穩(wěn)壓電源（7805芯片）。2. 2.4聲音報

6、警模塊方案：揚聲器報警用揚聲器發(fā)出設(shè)計時實現(xiàn)錄制好的聲音，提醒駕駛員切勿酒后駕駛。 當(dāng)檢測到有害氣體濃度超標(biāo)的時候，通過揚聲器警告駕駛員。系統(tǒng)整體框架為了讓報警器成為具備準(zhǔn)確、快速的檢測到氣體信息，并采取相應(yīng) 的自動處理措施的控制系統(tǒng)。我們將檢測報警器分為以下幾大組成部分:電源模塊、氣體檢測模塊、開關(guān)電路控制模塊、聲音報警模塊、顯示模 塊、自動控制模塊。圖3便是空氣質(zhì)量檢測報警器的系統(tǒng)框圖：圖3電路設(shè)計整體框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計電源模塊該電路是安裝在汽車上，所以可以使用車上的12V蓄電池電壓。在 無備用蓄電池的場合使用時，也可配上8節(jié)的7號電池。穩(wěn)壓電路3. 2.1三端穩(wěn)壓集成電路7805圖478

7、05的實物圖所謂三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出， 分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管。用78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少， 電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方 便，而且價格便宜。而且三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，所以 電子制作中經(jīng)常采用。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器 （當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將 變差，甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個能輸出以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊 三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個，但應(yīng)用時需注 意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)

8、采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品， 以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個 別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。在78系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是TO-220和T0-202兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號、引腳功能如圖5所示。TO-220GND1. Input2. GND3. Output圖5從正面看引腳從左向右按順序標(biāo)注，接入電路時腳電 壓高于腳，腳為輸出位。如對于78*正壓系列，腳高電位， 腳接地，輸出是腳。此外，還應(yīng)注意，散熱片總是和接地腳相 連。這樣在78*系列中，散熱片和腳連接。7805應(yīng)用電路7805集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如下圖所示，這是一個輸出正

9、5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805, Cl、C2分 別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。當(dāng)輸出電流較大時, 7805應(yīng)配上散熱板T1DIK-1N400?)AC:220-)JAC:9VTianc CUpl1N4007D3-1N4007).33uF2200uF0NDVIC LM7805RL圖67805的應(yīng)用電路3. 3信號采集模塊3. 3.1氣敏傳感器的原理QM系列氣敏傳感器是以復(fù)合金屬氧化物為主體材料的N型半導(dǎo)體氣 敏元氣件，當(dāng)元件接觸乙醇蒸汽時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速 升高。當(dāng)氣體吸附到半導(dǎo)體氣敏元件表面時，元件的電阻發(fā)生變化。 即氣敏元件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)后

10、，被檢測的氣體接觸元件的表面而被吸 附，吸附分子在元件的表面上自由擴散（物理吸附），失去其運動能量。 一部分氣體分子被蒸發(fā)；另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處 （化學(xué)吸附）。如果N型半導(dǎo)體的功函數(shù)大于氣體吸附分子的離解能，氣體的吸附 分子將向半導(dǎo)體釋放出電子，而成為正離子吸附（帶正電荷）。供給半 導(dǎo)體的電子將束縛半導(dǎo)體本身的自由電荷中的少數(shù)電荷一一空穴。因此, 在導(dǎo)帶上參與導(dǎo)電的自由電子的復(fù)合減少，從而表現(xiàn)出自由電子數(shù)增加, 半導(dǎo)體元件的阻值減少。具有這種正離子吸附的氣體稱為還原性氣體，如H2、CO、碳?xì)浠?物和酒類等。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)小于氣體吸附分子的親和力，則吸附分子將從半 導(dǎo)體

11、奪取電子而成為負(fù)離子吸附。具有負(fù)離子吸附的氣體稱為氧化性氣體，如02、NOX等。負(fù)離子吸附 的氣體因為奪取了半導(dǎo)體的電子，而將空穴交給半導(dǎo)體，使導(dǎo)帶的自由 電子數(shù)目減少，因此元件的電阻值增大。其工作原理流程如圖7可知圖7 工作原理流程解釋圖該圖示出了氣體接觸到N型半導(dǎo)體時所引起的元件阻值變化情況； 由于空氣中的氧分壓大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。當(dāng) 處于空氣中的元件的阻值保持不變時，如果被測氣體流入這種氣氛中， 元件表面將產(chǎn)生吸附作用，元件的阻值將隨氣體的性質(zhì)與濃度而變化， 通過測量電路（如電橋電路）就可測出其濃度。對P型半導(dǎo)體氣敏元件，情況則相反，氧化性氣體使其電阻減少， 還原性

12、氣體使其電阻增大。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)程序正常運作的主要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處 理中有濃度函數(shù)，此函數(shù)的準(zhǔn)確性關(guān)系到下面四個模塊的準(zhǔn)確性。由于 這次設(shè)計中我們采用的是傳感器廠家自帶的濃度函數(shù)曲線進(jìn)行濃度調(diào) 試，由于氣敏傳感器的實際濃度曲線為非線性（如圖8）,因此設(shè)計中 我們可以采用線性插值法和二次曲線插值法進(jìn)行函數(shù)的編寫。圖8濃度曲線我們可以把該曲線按一定要求分成若干段，在此設(shè)分成n段，然后把 相鄰兩段點之間的曲線用直線近似，這樣可以利用線性方法求出輸入電 壓值x所對應(yīng)的濃度值，這就是線性插值法。設(shè)輸入值在（xi, xi+1）之 間，則其對應(yīng)的濃度值y可由下式求得：y =yi + (x-xi)y

13、i+j-yiXi+J-Xi簡化后得：y=yi + Ki（x Xi）式中：Kt為第i段 （1）直線的斜率=8二也旳+1一溝若傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率變化很大，采用線性插值法，誤差就很大，這時可采用二次曲線插值法，即通過曲線上3個點A（X。、y0） ,B（X1、y】），C（X2、y2）做一拋物線，用此曲線代替原來的曲線,如圖5所示。曲線方程為一元二次方程，一般形式為：尸Ko+Ka+E 式中Ko,K.,K2為待定系數(shù)，可用曲線y=f(x)的3個點A,B,C的二元一次 方程組求解，這就需要解聯(lián)立方程組，計算較復(fù)雜，列出的程序也較復(fù)雜， 因此可以用另外一種型式：y = m0 + m(x-

14、x0) + m2(x-x0)(x-x1)(1)式中m。、m】、m2根據(jù)A、B、C三點很容易求出。當(dāng)x =x0時，y=yo代入(1)式可得m。=丫0又根據(jù)式x=x1時y =幾把m。和mi代入式(1)得:y =y0 +7Z7(x-x0) + m2(x-x0)(x-x1)(2)把X =x2 , y-y2代入(2)式得:X2由此可見，利用3個已知點A,B,C的數(shù)值求出系數(shù)后，存放在 相應(yīng)的內(nèi)存單元，然后根據(jù)某點的x值代入式(1)即可求出被測值y。雖然二次曲線插值法的精度高，但其數(shù)學(xué)模型和算法較復(fù)雜，在程 序中較復(fù)雜。因此在本系統(tǒng)中我們采用的是線性插值法，因為線性插值 法中可知，只要n取得足夠大就可獲得

15、良好的精度，而且程序較簡單。3. 3.2氣敏傳感器的電路傳感器電路如圖9所示H圖9傳感器電路H到H為加熱電阻，為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電 阻（指加熱器的電阻值）稱為加熱電阻，氣敏元件一般工作在200°C以上 高溫。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率一般在W范圍。因此， 如果在系統(tǒng)采用單電源工作時，會產(chǎn)生很大壓降，必須采用多電源工作, 才能使氣敏傳感器工作在正常的電壓下。A到A為氣敏元件的電阻值（在 常溫下潔凈空氣中的電阻值），一般其電阻值在（103105） Q范圍。RL 為分壓電阻，當(dāng)空氣中氣體濃度發(fā)生變化時，氣敏元件的電阻值將會改 變,從而,Vout的電壓值也將會改變

16、。功率放大器集成電路（LM386）3. 4. 1 LM386 概述LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于 低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳 和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直 至200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半, 在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電 池供電的場合。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。 LM386的內(nèi)部電路圖及引腳排列圖如圖10、圖11所示：圖10.內(nèi)部電路圖圖11引腳功能圖3. 4.2 LM386 的特征靜態(tài)功耗底

17、，約為4mA,可用于電池供電。工作電壓范圍寬，4-12V或5-18V。外圍元件少。電壓增益可調(diào)，20-200.低失真度。儲存溫度-65°C至+150°C操作溫度(TC至+7(TC結(jié)溫+150°CLM386 的 典 型 應(yīng) 用 電 賂報警模塊3. 5. 1聲音報警圖14喇叭實物圖音頻板塊是由音頻電路和喇叭(8歐，瓦)構(gòu)成。音頻電路由音頻輸出和音頻輸入兩部分組成。SPCE061A內(nèi)置2路10位精度的DAC,只需 要外接功放電路即可完成語音的播放?？梢怨ぷ髟?V范圍內(nèi)，最大輸 出功率可達(dá)700mWo喇叭能進(jìn)行語音提示，使本設(shè)計更人性化。3. 5.2發(fā)光二極管報警該電路將

18、通過發(fā)光二極管(LED)閃亮來實現(xiàn)光報警。自動控制模塊自動控制，就是當(dāng)檢測到車內(nèi)酒精濃度超標(biāo)時，自動及時警告駕駛 員，并強制將發(fā)動機熄火。4整體電路設(shè)計電路的組成電路主要是由三端穩(wěn)壓塊IC4 (W7805 )、大功率開關(guān)電路IC1 (TWH8778A)、語音電路 IC2 (TM801)、功放電路 IC3 (LM386)及 QM-NJ9 型酒精傳感器、繼電器KA等組成。BL是1瓦、8歐姆的小型揚聲器。電路圖7廠一圖15電路分析如圖15所示，12V電源經(jīng)隔離二極管VD1、C1濾波以后分為多路： 一路經(jīng)電阻R1限流使LED1導(dǎo)通發(fā)光；另一路經(jīng)IC4壓為（5土）V后提 供給酒精傳感器，使傳感器得到穩(wěn)定

19、的工作電源，使其工作穩(wěn)定；還有 一路提供給IC1,由該電子開關(guān)導(dǎo)通以后，為后級電路提供工作電源。 當(dāng)酒精傳感器未檢測到酒精氣味時，其B端電位較低，經(jīng)RP1分壓后加 到IC1上的控制電壓不能使電子開關(guān)導(dǎo)通，后級電路因無供電而無法工 作；當(dāng)酒精傳感器檢測到酒精氣味時，其B端電位就會隨檢測到的酒精 濃度的增加而上升。當(dāng)該點電壓上升到使IC1控制極上的電壓為以上時, IC1被控制導(dǎo)通，它的輸出端就有電壓輸出，該電壓分為多路：一路經(jīng) R3、R5為語音集成電路IC2提供供電；另一路加到功放電路IC3上。這 兩路供電使報警電路工作。IC2產(chǎn)生的語音信號經(jīng)電容C5耦合，加到IC3 上，再經(jīng)功率放大以后輸出。該

20、信號一路使LED2發(fā)光二極管閃亮；另一 路經(jīng)C8驅(qū)動揚聲器BL發(fā)出“酒后別開車”的語音報警聲，從而實現(xiàn)聲、 光報警。IC1導(dǎo)通后輸出電壓的第三路加到繼電器KA線圈上，使其得電 吸合，其常閉觸點KA1斷開，從而切斷了車輛點火電路，強制發(fā)動機熄 火。5總結(jié)本設(shè)計研究了一種以氣敏傳感器為核心的酒精濃度檢測報警器，其 能快速、精確得對駕駛員呼出氣體進(jìn)行酒精濃度檢測，當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè) 值時，實現(xiàn)光電與聲音的報警，并強制將發(fā)動機熄火。開發(fā)與調(diào)試的過程中，我們遵循由易到難，由簡到繁，循序漸進(jìn)的 過程。我們將具體過程分為以下五個步驟進(jìn)行：(1) ：理論準(zhǔn)備，重點是各元件應(yīng)用環(huán)境的熟悉。(2) ：將系統(tǒng)劃分為傳感

21、器，穩(wěn)壓電路，功率放大器集成電路三大模塊。(3) ：初步設(shè)計制作實現(xiàn)上述各模塊的功能。(4) ：組裝系統(tǒng)，測試系統(tǒng)的整機性能。(5) ：系統(tǒng)調(diào)試。作為一名自動化大二的學(xué)生，我覺得能做類似的課程設(shè)計是十分有 意義，而且是十分必要的。在已度過的兩年時間里我們大多數(shù)接觸的是 專業(yè)基礎(chǔ)課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)基礎(chǔ)課的理論面，如何去 鍛煉我們的實踐面如何把我們所學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識用到實踐中去 呢做類似的作業(yè)就為我們提供了良好的實踐平臺。在做本次課程設(shè)計的 過程中，我感觸最深的當(dāng)數(shù)查閱大量的設(shè)計手冊了。為了讓自己的設(shè)計 更加完善，更加符合工程標(biāo)準(zhǔn)，一次次翻閱電子電路設(shè)計手冊是十分必 要的，同時也是必不可少的。我們做設(shè)計，一切都要有據(jù)可依，有理可 尋，不切實際的構(gòu)想永遠(yuǎn)只能是構(gòu)想，永遠(yuǎn)無法成為設(shè)計。作為一名專業(yè)學(xué)生掌握一門或幾門制圖軟件同樣是必不可少的，由 于本次課程設(shè)計要求用protel繪圖，因此要想更加有效率的制圖，我們 必須熟練的掌握它。邊學(xué)邊用這樣才會提高效率，這是我作本次課程設(shè) 計的第二大收獲。但是由于水平有限，難免會有錯誤，還望老師批評指 正。參考文