课程设计便携式酒精探测仪的设计

便携式酒精探测仪设计说明书姓名：田明顺学院：平职学院专业：电气自动化班级：对口（二）班学号：20102003853平顶山工业职业技术学院2目录一、设计背景.....................................................................3二、方案设计.....................................................................32.1酒精探测仪设计的基本原理................................32.2电路设计.................................................................42.2.1检测电路.......................................................42.2.2控制电路.......................................................42.2.3比较电路.......................................................42.3.4输出电路.......................................................5三、电路调试.....................................................................53.1MQ-2气敏传感器电路调试...................................53.2LM358电压比较电路调试.....................................63.3总体电路调试.........................................................8四、总结.............................................................................9平顶山工业职业技术学院3图1酒精探测仪的基本原理方框图一、设计背景本酒精探测器是专门为警察设计的一款执法的检测工具，执勤民警可用其来对司机是否饮酒进行检测与相应的处理，有效减少交通事故的发生，避免人员伤亡和财产的重大损失。设计的基于运算放大系列的LM358的酒精探测仪，以LM358和MQ-2酒精传感器为核心，具有报警功能。根据是否有酒精的环境下，检测到酒精就会进行报警，提示危害。该仪器硬件电路设计简单、功能完善、工作性能好，此外，还具有低功耗、低成本的特点。二、方案设计2.1酒精探测仪设计的基本原理在本设计中酒精探测仪的基本原理是根据MQ-2气敏传感器对酒精的敏感程度，未接触到酒精时，其阻值较大，当接触到酒精后，其电阻急剧变小，根据这一特性，设计相应的控制电路，通过电压比较器，当输出为高电平是，LED亮，相当于一个报警的作用。该设计的系统方框图如图1所示，设计的电路见附录一，其中包括参考电压电路，检测电路，电压比较电路和输出电路。高电平MQ-2气敏传感器酒精参考电压电路电压比较器报警平顶山工业职业技术学院4图3控制电路图2酒精检测电路电路2.2电路设计2.2.1检测电路检测电路顾名思义就是检测酒精的，电路图如图2所示。该部分的主要部分就是通过比较a点的电压不一样，原理是当接通+5V电源之后，在初始状态时，A与B之间的电阻很大，所以a点的电压会大于2.5V，当传感器感应到酒精时，A与B之间的电阻会急剧变小，并且小于10K的变阻器，这个时候，a点的电压会下降到2.5V以下。通过传感器A、B之间的电阻变化可以得到a点电压的变化。2.2.2控制电路该部分电路的设计主要是为了得到一个稳定且大于零的参考电压Ur，电路图如图3所示。接通+5V的电压，R1=R2，所以b点的电压会等于2.5V。这个电压会比较恒定，可以作为参考电压。2.2.3比较电路该部分电路图是通过LM358来实现的，电路图如图4所示。通过比较UI与UR的电压大小，决定输出端为高电平还是低电平。其传输特性如图5所示。即当UIUR时，输出端为高电平，当UIUR时，输出端为低电平。平顶山工业职业技术学院5图6MQ-2引脚图2.3.4输出电路该部分电路为报警电路，在图4电压比较器的输出端接上一个LED，当输出为高电平，LED亮，即报警。当输出为低电平时LED不亮，即为正常状态。三、电路调试3.1MQ-2气敏传感器电路调试酒精探测仪采用的传感器是MQ-2气体传感器。它的特点是不仅探测范围广泛，并且灵敏度高，响应快，恢复也快。优异的稳定性，寿命也长。可应用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜液化气，丙烷，丁烷，甲烷，酒精，氢气烟雾等的探测。MQ-2气体传感器的引脚图如图6所示。其中A、B用于信号取出，H则是接电源的正负极，用于提供加热电源，该传感器在使用前应预热。A与B之间的电阻在常态下通常阻止很大，但是当接触到酒精之后，A、B之间的电阻会急剧变小。这就是这种传感器利用这一性质来检测是否有酒精或其他气体。根据这一特性，用万用表测得MQ-2气敏传感器在平时状态下，其A-B间阻值为20多千欧，适当调整可变电阻RP的阻值，大约取值为9K多，在通有5V电压情况下，测得a点电压UI的电压大于2.5V。当用酒图4电压比较电路路图5电压比较器传输特性图7传感器调试电路平顶山工业职业技术学院6图8LM358引脚图精靠近气敏元件时，测得a点电压小于2.5V，因此，该气敏元件是好的，传感器调试电路也是成功的。3.2LM358电压比较电路调试LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其引脚图如图8所示。图9比较电路是通过以LM358引脚3的电压为参考电压UR=2.5V。LM358引脚2的电压为比较电压UI。在图中可以看出引脚3的电压大于2.5V，所以引脚1输出应为低电平。其中R4可以模拟成初始状态的气敏传感器MQ-2，相对与R3来说电阻较大，可以得出引脚3的电压大于2.5V。根据MQ-2的性质，当接触到酒精之后，其A、B之间的电阻急剧变小，由这一特性又可以模拟电路，如图10所示。即引脚2的电压还为2.5V作为参考电压UR。A、B之间的电阻模拟R4=2K，R3=10K，这样以来，引脚3的电阻UI小于2.5V，即UIUR，输出端1输出高电平。同时，该部分电路调试连接了LED，因发光二极管具有单向导通的特性，当其输出为低电平的时候，二极管不亮，而当输出为高电平时，二极管亮。图9LM358模拟初始状态电路平顶山工业职业技术学院7模拟了初始状态下，当接通+5V电源后，测得引脚3的电压为2.5V，依然作为参考电压UR，测得引脚2的电压为3.9V左右，输出端引脚1的电压为0.6V左右。这些数值都符合理论值，并且发现LED不亮，证明这部分的电路的设计应该是没有问题，接着就模拟当接触到酒精之后LED的变化情况。但是情况出现了，不管我怎么调试，发光二极管就是不亮。于是，我就耐心地一步一步调试检测，发现不管怎样，LM358引脚1输出的电压始终为0V，由此得出该LM358元件是坏的。换了一个后，奇迹出现了，当MQ-2气敏元件接触到酒精时，二极管亮了。然后测得引脚2的电压符合理论值在2.5V左右引脚3的电压为0.9V左右，输出端1输出电压为4V左右，这也符合实际理论值。由此得出，该LM358是好的，模拟酒精状态电路的设计也是成功图10LM358模拟酒精状态电路图10LM358模拟酒精状态电路平顶山工业职业技术学院8的。3.3总体电路调试根据MQ-2的参数设定了参数RP的变化范围为10K。电路图如下：按照电路图连接好电路，在接入+5V电源后预热1分钟左右。先测得LM358引脚3的的电压Ur为2.52V，引脚2的电压U为4.0V左右，输出端引脚1的电压约等于0V。符合电压比较器的传输特性，即UIUr时，输出端为低电平，既然输出端为低电平，在这种情况下LED肯定是不会亮的，这个时候LED也的确没有亮。既然是酒精探测仪，当然不能少了最终要的一环，也是关系到这个设计成功与否的一环。这个设计需要的是，当MQ-2气体传感器接触到酒精时，LED亮（即起报警作用）。当我拿着二锅头的瓶口接触到MQ-2气敏传感器时，令人欣喜的是，LED亮了，此时测得引脚2的电压符合理论值在2.5V左右引脚3的电压为1V左右，输出端1输出电压为3.5V左右。意味不可言喻啊，设计算是成功了，当然不排除可能出现的小误差。可能是二锅头开瓶后放置了太久的缘故吧，酒精浓度不是很高，需把气敏元件放在瓶口正上方才起效。一开始的时候不注意，导致传感器碰到瓶口，一些酒精粘在了传感器上，理所当然，当撤去酒精瓶后，LED灯依然亮着。然后根据酒精挥发快，赶紧吹，一会就灭了，真是有惊无险啊！后来小心地这样反复试了几次，都是当接触到瓶口时，LED亮，当拿平顶山工业职业技术学院9开瓶子，LED熄灭。让我不禁感叹这MQ-2的灵敏度的确是高，并且响应也快。四、总结这次设计收获颇丰，在实验室认识了不少器件，大致知道一些的用法，将所学的综合起来运用了一下，很好的检测了所学知识，同时也锻炼了动手能力。虽然这是一个很简单的电路，但对于我来说也是一次考验。这个设计功能不完善，是一个很大的缺陷，但是也通过这次课题提高自己这方面的动手能力，并且能够结合我们所学的内容联系到实际的生活中去。总之、通过这次对于传感器有一定的了解，学到了很多东西，明白理论联系实际，将所学的应用到实际生活中。同时，也让我明白，无论做什么事，都要主动点，不能总是期待别人会通知你，那时候已经迟了。还有就是得有耐心，有毅力，更要有信心！加油吧！