酒精浓度自动检测、显示、报警、控制系统设计

XXXX大学自动化专业2010级传感器原理及应用课程设计说明书设计题目：酒精浓度自动检测、显示、报警、控制系统设计学号：XXXXXX姓名：XXXXX完成时间：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、题目的认识理解1、课题背景生命安全问题一直是人类高度关注的问题。对人类生命安全造成威胁的因素也有很多，其中，酒后驾车就是一个非常重要的威胁因素。酒后驾车造成交通事故不计其数，带来巨大危害。据统计，全国发生的交通事故中，50%~60%是由酒后驾车引发的，酒后驾车引发的，酒后驾车发生事故的几率高达27%，随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率明显增加，当血液中酒精含量由0.5‰增至1‰,发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5‰，可能性再增加6倍，酒后驾车造成的交通事故对国家、他人、自己产生了难以估计的后果。酒后驾车问题如何解决，每个国家都在努力寻找办法。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是否超标。目前，市场上警用酒精测试仪种类繁多、功能强大、灵敏度高，但是由于它没有安装在汽车内部，只能由交警人员来实施，因此并不能从根本上杜绝酒后驾车，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。同时给交通管理部门减轻工作压，提供科学的管理手段，本设计提出了一种车载酒精探测及安全控制系统，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是否酒后驾驶，从而控制车辆的点火系统，即确保了司机的安全，又能减少交警等人员的工作量。2、题目理解本次题目要求实现酒精浓度自动检测、显示、报警、控制系统设计，要求能够检测，因此需要有个气敏传感器；显示部分，可以用发光二级管代替不同浓度的酒精测试显示结果，不同浓度之间显示不同，因此需要用到比较器，可以进行区别浓度差异；当酒精浓度偏高时，要求能够报警，可以用蜂鸣器进行报警；最后结合实际，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，从而达到报警以及控制车辆点火系统的目的。二、设计任务要求：1、采集实验数据，了解酒精浓度与气敏计的关系；2、查阅资料介绍本课题的背景及意义。；3、对驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统的主要元器件进行比较选择；4、在主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不足以影响行车安全时，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、设计所需基础知识及工具1、基础知识1）电路理论中电阻电路的分析、模拟电子线路中二极管、三极管特性，运算放大器、比较器、功率放大器等知识；2）数字电子线路中数字信号、门电路特性，模拟开关等知识；3）传感器技术中的气敏原理及应用；测控电路等知识。2、设计工具1）电子电路EDA仿真软件：Multisim102）电子线路设计软件：Protel99SE。四、方案设计及其论证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，传感器输出的是0-5伏的电压且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经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。2、传感器选型2.1、本电路设计主要用到气敏传感器MQ-303A：1）特色高灵敏度、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，对酒精具有高的灵敏度和快速的响应性，适于便携式酒精探测器和汽车燃火系统等等。3）结构半导体气体敏感部分是一个微型珠状小球，内嵌加热丝和金属电极，敏感元件安装在有防爆功能的双层100目不锈钢网的金属壳内（如上图1C）。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的变化获得元件电阻的变化。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标准工作条件内。传感器通电后通常需要数分钟的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，使传感器尽快稳定并进入工作状态。5)灵敏度特性图3是MQ-303A的灵敏度特性曲线图。灵敏度特性图反映了元件电阻和气体浓度之间的关系。元件的电阻与气体的浓度呈对数关系，随气体浓度的增加而减小。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,该电压比较器的特点:1)、失调电压小,典型值为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-±18V;4)、对比较信号源的内阻限制宽;5)、共模范围很大,为0~(Ucc-1.5V)Vo;6）、差动输入电压范围较大。LM339引脚图五、电路设计及分析1、显示电路设计任务要求是十档显示电路，所以采用比较器和发光二极管即可实现显示电路的要求。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，经过调节，十个分压电阻采用1KΩ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（比较器所给的是反向比较电压），根据气敏计的工作原理，在Multisim仿真时用滑动变阻器代替气敏计，不同阻值即为不同的酒精浓度。具体元件型号的选择时，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，能很好的满足实验需求；发光二极管的型号没有具体要求，能满足发光的需求即可。显示电路的电路原理图如下：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的不同阻值，从而实现对电路的调节功能。2、放大电路设计及电阻分配下图为放大电路的电路图和所使用的OP37放大器的引脚图：下表为采集到的实验数据：由于实验采集的数据太小，不方便计算和控制，因此把实验数据放大1000倍进行计算，即以1.5V、1.8V、2.2V、2.4V、2.7V为参照分配电压，计算电路图中的回路电阻：酒精浓度mg/dL205080100150电压mV1.51.82.22.42.7电阻计算公式R=IU为了便于计算，固定回路电流I=1.0mA所以整个回路阻值总R=5.0KΩR=1000U前三个电阻的电压01U=1.5V前三个电阻总值1总R=IU01=1500Ω最后平均分配后得8910RRR500Ω中间四个电阻的总阻值2总R=700Ω第四个灯要求在1.8V的时候是亮着的，即7R=300Ω其余三个电阻阻值根据标准阻值表合理分配即可12065RR1604R第八个灯在2.4V时亮2003R其余两个合理分配为10021RR最后剩余2.4KΩ电阻，即为KR4.203、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。由于电路的显示系统输出电压太小，不足以驱动蜂鸣器的报警工作，因此通过采用比较器和继电器实现对报警系统的控制。综合考虑整个系统的成本，此处的比较器采用和显示系统相同型号的LM339N即可，LM339N的特点在前面已经介绍过，此处不再详细介绍。通过对数据的调节可知，在第四个灯亮的时候，报警系统输入电压为3.34V，因此给LM339N正极加5V电压进行比较，便可在输出端输出高电平电位的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，蜂鸣器便可正常工作报警。4、控制系统电路设计控制系统的目的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下：控制系统由LM339N比较器和继电器组成，当第八个指示灯亮的时候，只是检测系统输入的电压值为3.34V，因为控制系统的要求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10V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，比较器输出的是-12V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，比较器输出的是12V电压，继电器断开，汽车点火系统停止工作，以此达到控制汽车点火系统的目的。六、设计总结经过一个周的传感器原理及应用课程设计，我对Multisim仿真软件和传感器的使用有了不同于以往的认识。从书本上的理论到现实中的数据采集、电路设计、元件选取以及电路调试，难度大大地增加。但是通过这一过程我对传感器的认识更加深刻。这对我今后从事该方面的学习工作是一个很好的基础。传感器课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。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。初看题目不知该如何下手，毕竟课程设计不同于实验课，电路图都要自己设计。不过还是在不断的坚持和努力之下很好的完成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。一个星期，我们花了九牛二虎之力才把系统完成，这充分说明仅仅学习一个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的。我想，只要是我们认真地去学一样东西，那么什么东西都是有趣的，我确实很高兴，这其中的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，比如，关于电子线路实现的几个软件，Protel和Multisim仿真软件。以前我对它们很陌生，自从完成了这次课题设计之后，我基本能完整熟练的操作它。通过这么多次的锻炼，我觉得我对专业认识更深刻了，对它的掌控更好了，我想这将对我今后设计有着深远的影响。以后一定会去钻研它的。七、主要参考资料[1]陈杰.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002.[2]贾伯年等.传感器技术[M].第三版.福建：东南大学出版社，2007.[3]郁有文等.传感器原理及工程应用.第三版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.[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，2006.5.附件1：整机电路原理图附件2：仿真结果（如：测试数据、波形等）（1）只有绿灯亮时电压表示数（2）黄灯亮，报警系统工作时电压表示数（3）红灯亮，控制系统工作时电压表示数附件3：元器件清单及成本估算元件名称价格（元）数量（个）供应商总计（元）MQ-3气敏计1.001杭州灿宇科技有限公司1.00OP37放大器0.801深圳市盛晶芯威电子有限公司0.08LM339N比较器0.1012深圳市圳翔实业发展有限公司1.20蜂鸣器0.161东莞市亿森电子有限公司业务部0.16继电器0.952乐清市顺宇电气有限公司1.90发光二极管0.0810北京泗洲巨源电子有限公司0.80电阻0.1214北京拓天丰科贸有限公司1.686.82