酒精浓度检测报警器课程设计-正文

1目录1、引言……………………………………………………………42、系统器件选择及原理………………………………………42.1、设计要求……………………………………………………42.2、气体检测电路………………………………………………52.2.1、气体元件的原理………………………………………62.2.2、气敏元件的参数………………………………………72.3、集成芯片功率开关…………………………………………72.4、声音报警部分………………………………………………72.5、系统整体框架………………………………………………83、系统硬件设计………………………………………………83.1、电源部分……………………………………………………83.2、酒精检测电路………………………………………………133.3、语音、发光二极管报警电路………………………………133.4、自动控制部分………………………………………………144、整体电路设计………………………………………………144.1、电路的组成…………………………………………………144.2、电路图………………………………………………………14个人总结…………………………………………………………15参考文献…………………………………………………………18附录………………………………………………………………121引言随着人类生活水平的不断提高，汽车已经成为现代社会越来越普遍的交通工具，我国汽车数量急剧增加，因此也导致交通事故不断发生，而其中因酒后驾车导致发生事故的占很大一部分。为了减少此类事故的发生，及时提醒司机不要酒后驾车，必要时强制汽车熄火，需对汽车内空气进行实时检测，以便有效防止酒后驾车，减少交通事故的发生。2系统框架2.1、设计要求在本次设计中，要求所设计的简易酒精浓度检测报警器在检测到酒精浓度超过允许值后能自动声音报警提示死机停车，而且还能够强制汽车发动机熄火。2.2、气体检测电路2.2.1、气敏元件的原理检测模块是报警器的心脏，只有准确可靠的检气体才能让检测器准确正常的工作，选择一个合适的气敏元件非常重要。QM系列气敏传感器是以复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元气件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻发生变化。3即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上自由扩散（物理吸附），失去其运动能量。一部分气体分子被蒸发；另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。如果N型半导体的功函数大于气体吸附分子的离解能，气体的吸附分子将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附（带正电荷）。供给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷中的少数电荷——空穴。因此，在导带上参与导电的自由电子的复合减少，从而表现出自由电子数增加，半导体元件的阻值减少。具有这种正离子吸附的气体称为还原性气体，如H2、CO、碳氢化合物和酒类等。如果半导体的功函数小于气体吸附分子的亲和力，则吸附分子将从半导体夺取电子而成为负离子吸附。具有负离子吸附的气体称为氧化性气体，如O2、NOX等。负离子吸附的气体因为夺取了半导体的电子，而将空穴交给半导体，使导带的自由电子数目减少，因此元件的电阻值增大。其工作原理流程如图可知：气敏元件被检测气体产生吸附半导体功函数大于吸附分子离解能半导体功函数小于吸附分子亲和力半导体自由电子半导体自由电子电阻电阻（正离子吸附）（负离子吸附）4图工作原理流程解释图该图示出了气体接触到N型半导体时所引起的元件阻值变化情况；由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时，如果被测气体流入这种气氛中，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化，通过测量电路（如电桥电路）就可测出其浓度。对P型半导体气敏元件，情况则相反，氧化性气体使其电阻减少，还原性气体使其电阻增大。在系统中，数据处理部分是系统程序正常运作的主要环节。数据处理中有浓度函数，此函数的准确性关系到下面四个模块的准确性。由于这次设计中我们采用的是传感器厂家自带的浓度函数曲线进行浓度调试，由于气敏传感器的实际浓度曲线为非线性如图，因此设计中我们可以采用线性插值法和二次曲线插值法进行函数的编写。5图浓度曲线我们可以把该曲线按一定要求分成若干段,在此设分成n段,然后把相邻两段点之间的曲线用直线近似,这样可以利用线性方法求出输入电压值x所对应的浓度值,这就是线性插值法。设输入值在（xi,xi+1）之间,则其对应的浓度值y简化后得：式中：为第段(1)直线的斜率若传感器的输入和输出之间的特性曲线的斜率变化很大,采用线性插值法,误差就很大,这时可采用二次曲线插值法,即通过曲线上3个点A（x0、y0）,B(x1、y1),C(x2、y2),用此曲线代替原来的曲线,如图5所示。曲线方程为一元二次方程,一般形式为：y=K0+K1x+K2x2K0,K1,K2为待定系数,可用曲线y=f(x)的3个点A,B,C的二元一次方程组求解,这就需要解联立方程组,计算较复杂,列出的程序也较复杂,因此可以用另外一种型式：（1）式中根据Ａ、B、C三点很容易求出。当时，代入（1）式可得又根据式时6可知：把和代入式（1）得：（2）把，代入（2）式得：由此可见,利用3个已知点A,B,C的数值求出系数m0,m1,m2后,存放在相应的内存单元,然后根据某点的x值代入式（1）即可求出被测值y。虽然二次曲线插值法的精度高，但其数学模型和算法较复杂，在程序中较复杂。因此在本系统中我们采用的是线性插值法，因为线性插值法中可知,只要n取得足够大就可获得良好的精度，而且程序较简单。本设计使用一种性能稳定、抗干扰能力强的酒精传感器QM-NJ9。2.2.2、气敏元件的参数QM-NJ9的特点：专用于酒精等有机液体蒸气的检测，对汽油蒸气有抗干扰能力，而且灵敏度高，响应速度好，寿命长，工作稳定可靠。其主要参数为:加热电压VAC或DC5+0.2V或5-0.2V7回路电压（Vc）最大24VDC负载电阻（RL）4K清洁空气中的电阻(Ra)≦2000k灵敏度（s=Ra/Rdg）≧5（在100ppmC2H5OH）分辨率（D=Riq/Rdq）≧3（在100ppmC汽油蒸汽中）响应时间（tres）≦10s恢复时间（tresc）≦30s元件功耗≦0.7w检测范围50～5000ppm抗干扰能力：在相对湿度《95%RH、汽油浓度《1000×10-6e及在湿度《95%RH、烟雾透光率《5%条件下，应无虚报发生：环境温度为-20℃～+50℃2.3、集成芯片功率开关此开关是衔接气敏检测电路与后续工作电路（声、光报警电路和自动熄火电路）的一个桥梁，控制着后续电路的工作状态。此功率开关选用TWH8751型电控开关，有5个引脚，分别是输入，输出，选通，以及电源和接地，其启动电压为1.5V，当达到启动电压时内部开关闭合，压降仅为0.5V。能够保证后续电路正常工作。发挥自动通断作用。2.4声音报警部分该部分选用存储有语音提示信号的SR8808型集成语音芯片，当此部分接通电源时语音信号经过三极管放大电路使扬声器发出设计时事先录制好的声音，提醒驾驶员不要酒后驾车，同时红色高亮三极管开始闪烁，实现光电报警。82.5、系统整体框架为了让报警器成为具备准确、快速的检测到气体信息，并采取自动处理措施的控制系统。将检测报警器分为以下几大组成部分；电源部分、气体检测电路、开关电路控制电路、声音报警电路、自动控制熄火电路。系统框图如下：图系统框图整个电路采用12V蓄电池供电。QM-NJ9的灯丝电压要求为5V0.5V，应用稳压电源电路供电。调试前，应开机预热4min左右。在驾驶室内稍有酒气调节Rp1，使RP1中抽点电压在1.4V左右，接近TWH8751的开启电压即可。若酒精浓度再增加，则导通。LED1采用普通绿色¢3mm发光二极管；LED2，LED3采用高亮度¢5mm红色发光二极管；R1～R6采用RTX-1/8W型碳膜电阻器；RP1采用WSW型有机实心微调可变电阻器；C!,C2采用CD11-25V型电解电容器；C3选用CT1型瓷介电容器；K1选用JRX-13F，DC12V的小型小功率继电器；Bell采用YD-571型（8Ω）电动式扬声器；DW!，DW2分别采用0.25W的稳压二极管2CW53（5V）和2CW52气体检测模块电源模块开关电路控制模块LED发光模块自动控制模块声音报警模块9（4.5V）。3系统硬件设计3.1电源部分该电路是安装在汽车上，故可以使用车上的12V蓄电池电源，在电路接通后会有LED灯亮，提示酒精浓度监测电路已经开始工作。3.2、酒精检测电路10图酒精检测电路A到B之间的为加热电阻，为气敏元件提供必要的工作温度的加热电路的电阻，称为加热电阻，气敏元件一般工作在200℃以上高温。气敏元件正常工作所需的加热电路功率一般在0.5~2.0w范围。A与B为气敏元件，其电阻值在常温洁净空气中为103~105范围，当空气中其他浓度发生变化时，气敏元件的电阻值将会改变，从而激发开关器件动作。3.3声音、发光二极管报警电路11图声、光报警电路音频板块是由音频电路和扬声器都成。音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。电路接通时将通过发光二极管（LED）闪亮以及扬声器来实现灯光报警。3.4自动控制部分12图自动控制熄火电路自动控制，就是当检测到车内酒精浓度超标时，系统能够自动使发动机熄火，防止事故的发生。4整体电路设计4.1电路使用的主要器件电路主要由开关电路IC1（TWH8751）、语音报警电路IC2（SR8808）、功放电路、及QM-NJ9型酒精传感器、继电器K等组成。Bell时1W，8欧姆的小型扬声器。4.2电路图13图原理图4.3电路分析如图所示，12V电源经隔离二极管VD1、C1滤波以后分为多路：一路经过限流电阻R1使LED1导通发光：另一路经过R2为50.2V后提供给酒精传感器，使传感器得到稳定的工作电源，使其工作稳定；还有一路提供给开关电路，由该电子开关导通以后，为后级电路提供工作电源。当酒精传感器未检测到酒精气味时，其B端电位就会随检测到的酒精浓度的增加而提供供电；另一路加到功放电路上。这两路供电使报警电路工作。IC2产生的语言信号经放大器后输出，该信号一路使LED发光，另一路经扬声器bell发出“请勿酒后驾车”的语音报警声，从而实现声、光报警。TWH8751导通后输出电压的第三路加到继电器K上，使其得电闭合，产生磁性，继而使汽车点火电路的常闭开关断开，从而切断了汽车的工作电路，强制汽车熄火。14个人总结本设计研究了一种以气敏传感器为核心的酒精浓度检测报警器，它能快速，准确地对驾驶员呼出的气体进行酒精浓度检测，当浓度超过预设值时，实现光电与声音的报警，并强制汽车发动机熄火。15参考文献：【1】姜维《实用电子系统设计基础》北京理工大学出版社2008【2】黄贤武《传感器原理与应用》电子科技大学出版社、高等教育出版社2006【3】陈永甫《电子电路智能化设计实例与应用》电子工业出版社170~176【4】刘征宇《电子设计实战功略》福建科学技术出版社2006附录：所用元件清单：类型标识符数量值类型标识符数量值电容C11470u发光二极管LED1电容C21100u发光二极管LED1电容C3151p发光二极管LED1电源GB112V稳压二极管DW11电阻R11750Ω稳压二极管DW21电阻R21360Ω二极管VD11电阻R311K二极管VD21电阻R41470Ω继电器K1电阻R51330K滑动变阻器RP115.1K电阻R611K扬声器bell18Ω三极管VT11酒敏传感器QM-NJ91三极管VT21开关器件TWH87511