車載酒精濃度的檢測(cè)

1、第1章緒論1.1設(shè)計(jì)背景近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平提高，越來越多的人有了自己的車，而酒后駕車造成的交通事故也越來越多，國家也出臺(tái)了一系列的法律法規(guī)，試圖通過法律的手段遏制這一現(xiàn)象的進(jìn)一步發(fā)展。介于人們對(duì)于醉駕的逐漸重視，酒精測(cè)試課題便更加受人關(guān)注。酒駕引起的交通事故是由于司機(jī)飲酒過量造成酒精麻痹神經(jīng)，使大腦反應(yīng)遲鈍，肢體不受控制的癥狀。酒后駕車發(fā)生事故的概率高達(dá)27%。隨著攝入酒精量的增加，發(fā)生事故的幾率也隨之增加，當(dāng)血液中酒精含量由0.5增至1，發(fā)生車禍的可能性便增加5倍，如果增至1.5，可能性再增加6倍。汽車司機(jī)“酒后駕車” 以及“醉酒駕車”都極易引發(fā)交通事故, 嚴(yán)重危害了

2、道路交通安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。人飲酒后, 酒精被消化系統(tǒng)吸收后, 通過血液循環(huán), 大概90%的酒精通過呼吸排除體外, 因此測(cè)量車內(nèi)的酒精含量, 就可判斷其醉酒程度。開車司機(jī)只要進(jìn)入車內(nèi)，儀器就能根據(jù)空氣中的酒精含量顯示出酒精濃度的高低，從而判斷該司機(jī)是否酒后駕車，然后通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)來避免事故的發(fā)生。這樣就可以從根本上解決酒后駕車問題。第2章設(shè)計(jì)要求2.1設(shè)計(jì)要求選用酒精濃度傳感器進(jìn)行氣體中酒精濃度測(cè)量，要求測(cè)量范圍10-1000PPM、精度為5PPM。設(shè)計(jì)傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)以下要求：（1）設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理將傳感器輸出0.2-1.4 V的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V直流電壓信號(hào)；（2）對(duì)信號(hào)調(diào)

3、理電路中采用的具體元器件應(yīng)有器件選型依據(jù)；（3）電路的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)內(nèi)容；（4）電路的基本工作原理應(yīng)有一定說明；（5）電路應(yīng)當(dāng)在相應(yīng)的仿真軟件上進(jìn)行仿真以驗(yàn)證電路可行性。 2.2傳感器的選擇氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測(cè)的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。氣敏傳感器是一種檢測(cè)特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的

4、檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂（R11、R12）的檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)等等。它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。半導(dǎo)體氣敏傳感器對(duì)于低濃度氣體具有很高的靈敏度，具有嗅覺功能，能自動(dòng)檢測(cè)濃度。一旦濃度超限，氣敏傳感器即可自動(dòng)報(bào)警。半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化來檢測(cè)氣體的種類和濃度的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面自

5、由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處時(shí)，如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放電子，而形成正離子吸附。如H2、CO、碳?xì)浠衔锏?，被稱為還原型氣體。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上時(shí)，載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。本設(shè)計(jì)中的酒精氣體傳感器采用的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖2-1所示：圖2-1 MQ-3特點(diǎn):檢測(cè)范圍為10ppm2000ppm ；靈敏度高，輸出信號(hào)為伏特級(jí)；響應(yīng)速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。使用方法和注意事項(xiàng)：(1) 元件開始通電工作時(shí)，沒有接觸檢測(cè)氣體，其電導(dǎo)率

6、也急劇增加，約1分鐘后達(dá)到穩(wěn)定，這時(shí)方可正常使用， (2) 加熱電壓的改變會(huì)直接影響元件的性能，所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳。(3) 元件在接觸標(biāo)定氣體100ppm10秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓可達(dá)到（）差值的80%（即響應(yīng)時(shí)間）；脫離標(biāo)定氣體100ppm30秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓下降到（）差值的80%（即恢復(fù)時(shí)間）。(4) 負(fù)載電阻可根據(jù)需要適當(dāng)改動(dòng)，不影響元件靈敏度。(5) 使用條件：溫度1535；相對(duì)濕度4575%RH;大氣壓力80106KPa。(6) 環(huán)境適度的變化會(huì)給元件電阻帶來小的影響，當(dāng)元件在精密儀器上使用時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，最簡(jiǎn)便的方法是采用熱敏電阻補(bǔ)償之。(7) 避免腐

7、蝕性氣體及油污染，長(zhǎng)期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。(8) 元件六腳位置可與電子管七腳管座匹配使用。表2-1 酒精濃度和輸出電壓關(guān)系圖濃度/ppm電壓/V濃度/ppm電壓/V0010006.8421002.50315008.7525004.714MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當(dāng)其表面吸附有被測(cè)氣體酒精分子時(shí)，表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電阻會(huì)隨著被測(cè)氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。MQ-3的靈敏度特性曲線如 圖2-2所示。圖2-2 MQ-3靈敏度特性曲線其中：溫度：20、相對(duì)濕度：65%、氧氣濃度：

8、21% RL=200k Rs：元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。R0:元件在潔凈空氣中的電阻值。MQ-3型氣敏元件的溫濕度特性曲線如圖2-3： 圖2-3 MQ-3溫濕度特性曲線圖其中：Ro: 20，33%RH條件下，200ppm的乙醇蒸汽中元件電阻。Rs: 不同溫度，濕度下，200ppm的乙醇蒸汽中元件電阻。檢測(cè)電路如圖2-4所示，當(dāng)電源開關(guān)S斷開時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測(cè)A，B之間電阻大于20M。S接通，則f與f之間電流由開始時(shí)155mA降至153mA而穩(wěn)定。加熱開始幾秒鐘后A，B之間電阻迅速下降至10K以下，然后又逐漸上升至120K以上后并保持著。此時(shí)如果將酒精溶液樣品靠近MQ-3傳感

9、器，我們立即可以看到數(shù)字萬用表顯示值馬上由原來大于120K降至10K以下。移開小瓶過1分鐘左右后，A，B之間電阻恢復(fù)至大于120K。這種反應(yīng)可以重復(fù)試驗(yàn)，但要注意使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)檢測(cè)，MQ-3傳感器可以正常工作使用，對(duì)不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都正常，可以開始作信號(hào)采樣模塊電路的設(shè)計(jì)。圖2-4 MQ-3檢測(cè)電路MQ-3酒精傳感器對(duì)乙醇蒸氣有很高的靈敏度，并且響應(yīng)和恢復(fù)快速。另外，MQ-3酒精傳感器簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)回路和可靠的穩(wěn)定性是相比較于其他型號(hào)傳感器的優(yōu)點(diǎn)。MQ-3酒精傳感器可用于機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T及其他嚴(yán)禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，也可用于其他場(chǎng)所乙醇蒸氣的

10、檢測(cè)。其外部結(jié)構(gòu)如圖2-5所示：圖2-5 MQ-3外部結(jié)構(gòu)圖表2-2 MQ-3的組成 部件材料1氣體敏感層二氧化錫2電極金（Au）3測(cè)量電極引線鉑（Pt）4加熱器鎳鉻合金（Ni-Cr）5陶瓷管 三氧化二鋁6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼（SUB316）7卡環(huán)鍍鎳銅材（Ni-Cu）8基座膠木9針狀管腳鍍鎳銅材（Ni-Cu） MQ-3氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖2-5所示(結(jié)構(gòu) A 或 B), 由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感層,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流

11、。氣敏傳感器的外觀和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式如圖2-7所示，它由微型氧化鋁陶瓷管、氧化鋅敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成，敏感元件固定在塑料或不繡鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有6個(gè)管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。圖2-7中、分別表示MQ-3乙醇傳感器的引腳排布圖、引腳功能圖、使用接線圖。其中H-H表示加熱極（如5V），A-A、B-B傳感器表示敏感元件的2個(gè)極，圖中“V”為傳感器的工作電壓，同時(shí)也是加熱電壓。圖2-7 MQ-3傳感器的外觀和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式加熱電壓取交直流5V均可。當(dāng)氣敏傳感器加熱后，環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度加大時(shí)，傳感器的內(nèi)阻將迅速減小，

12、利用該特性結(jié)合分壓原理，分析得知Vout的值將逐漸加大，當(dāng)超過我們?cè)O(shè)定的閾值時(shí)，可產(chǎn)生相應(yīng)的操作。經(jīng)過調(diào)理，檢測(cè)信號(hào)由電阻值轉(zhuǎn)變成電壓值，便于后續(xù)電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理。 MQ-3乙醇?xì)怏w傳感器及其調(diào)理電路原理如圖4所示。其外形如圖5所示。經(jīng)過調(diào)理，檢測(cè)信號(hào)由電阻值轉(zhuǎn)變成電壓值，便于后續(xù)電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和處理。整體電路圖如下圖2-8所示：圖2-8 MQ-3整體電路圖MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當(dāng)其表面接觸被測(cè)氣體酒精分子時(shí)，表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。2.3電壓比較器MQ-3可通過將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。并通過電壓比較器LM393與事先測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，為單片機(jī)提供高低電平作為信號(hào)。電壓比較器如圖2-3，傳感器輸出的電壓與所設(shè)定的參考電壓（滑動(dòng)電阻器Rp）比較，若超出參考電壓則電壓比較器輸出信號(hào)該儀器開始工作。圖2-9 電壓比較器2.4器件的選型表2-3 器件清單器件名稱器件型號(hào)/大小器件數(shù)量（個(gè)）傳感器MQ-31電阻4.7k、10k1、1電壓比較器LM3391電容10uF/16V1滑動(dòng)變阻器10K1電壓比較器LM3391第3章傳感器仿