简易酒精传感器

传感器课程设计报告书课题名称简易酒精浓度超标测试装置姓名石浩淼学号20096655院、系、部电气工程系专业电气工程及其自动化指导教师马丽2013年1月5日※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※2009级传感器课程设计1一、设计目的目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。酒精浓度监测仪是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。本研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工具，采用高精度MQ-2乙醇气体传感器对空气中的乙醇浓度进行检测。二、课程设计要求2.1设计要求2.1.1本课题主要完成的设计部分(1)信号采集及处理电路由气敏传感器及附属电路组成，传感器将空气中的酒精浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理。(2)声光报警电路在酒精浓度超标时，电路产生相应的红色警告信号，同时驱动扬声器产生音频信号。电路应以不同的灯光提示，表明酒精浓度未超标。三、硬件电路设计3.1基本原理3.1.1基本原理框图图1基本框图3.1.2工作原理（1）直流电源由4节1.5V干电池供电2（2）信号采集及处理电路信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电路需要用气体传感器，将被检测对象中含的气体的浓度变为传感器的电信号输出，以利于后面的信号处理电路进行处理。3.2传感器的选择3.2.1气敏传感器介绍按构成气敏元件的材料划分为半导体和非半导体气敏元件两大类，而半导体型又分为电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作而成，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体气敏元件是根据气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。3.2.2电阻型半导体气敏元件的工作原理电阻型半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时的电导率等物性的变化来检测气体。电阻型半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定吸附处（化学吸附）。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NO2，称为氧化性气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原性气体或电子供给气体。当氧化性气体吸附到N型半导体上，还原性气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大；相反当还原性气体吸附到N型半导体上，氧化性气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，使电阻下降。空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧气的吸附也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系，即可得知被测气体的浓度。3主要物理特性类型气敏元件检测气体电阻型电阻表面控制型SnO2、ZnO等的烧结体、薄膜、厚膜可燃性气体体控制型La1-xSrCoO3、T-Fe2O3、氧化钛酒精、可燃性气体、氧气非电阻型二极管整流特性表面控制型铂-硫化镉、铂-氧化钛（金属-半导体结型二极管）氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅、钯栅M0S场效应管氢气、硫化氢表1气敏传感器的类型3.2.3MQ-2气敏传感器特性气体：酒精（乙醇）探测范围：10～1000ppm酒精特征气体：125ppm酒精灵敏度：Rinair/Rintypicalgas≥5敏感体电阻：1～20KΩinair空气中响应时间：≤10s（70%Response）恢复时间：≤30s（70%Response）加热电阻：31Ω±3Ω加热电流：≤180mA加热电压：5.0V±0.2V加热功率：≤900mW测量电压：≤24V工作条件：环境温度：-20℃～+55℃湿度：≤95%RH环境含氧量：21%贮存条件：温度:-20℃～+70℃湿度:≤70%RH43.3触发电路触发电路作用就是用555组成双稳态触发电路，由其输入状态改变输出状态，触发后续的执行电路。555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思巧妙，因其内部含有电压比较器、基本R-S触发器、放电电路及驱动电路等，辅以适当外围分立元件后，被广泛应用于单稳态电路、施密特触发器、多谐振荡器、幅度鉴别器、波形发生器、延时发生器、定时器及电压-频率变换电路等，用途十分广泛。图2555管脚图图3555内部原理图表2555芯片逻辑功能表④脚⑥脚②脚③脚⑦脚0XX0导通（0）1110导通（0）1001截止（1）101原态原态110不定（禁止）不定（禁止）3.4555触发电路图5图4555触发电路图当空气洁净时，因气敏传感器电阻大，1R和2R分压小，555输入为低电平，即V2和V6都为低电平，由功能表可知：V3为高电平，即NE555置位，D2(LED，红）不工作。当空气中存在有害气体时，因气敏传感器电阻变小（约为466）而使1R和2R分压值增大，555输入高电平，故V2和V6同时为高电平，且复位端电压V4也为高电平，由功能表可知：V3为低电平（V3相当接近0V）,D2（LED，红）导通发光。3.5声光报警电路该报警电路由发光二极管（红）、扬声器及其附属电路组成图5声光报警电路当555输出低电平时发光二极管导通，发出亮光。NPN型三极管正向偏置进行放大，扬声器发出声音报警。当555输出高电平时发光二极管正向电压低于负6向电压时截止，三极管反向偏置无放大作用，扬声器不发出声音。3.6电路原理图图6电路原理图3.7电路原件参数计算及元件的选择3.7.1电阻与电容的计算及选择(1)1R的选择实际用万能表侧MQ-2在空气中加热情况下的电阻值为20千欧左右，对MQ-2吹气时测得的电阻值为1.1千欧左右。当NE555触发器的Q端要变为低电平要满足下列公式。IU=2U=6U32CCV当MQ-2在空气中加热时取MAXR=20KΩ，吹气时的电阻取最低MINR=1KΩ。所以满足下式的电阻就能实现Q高低电平的变换。Q输出为高电平时2121RRRRRMAXCCV32CCVQ输出为低电平时2121RRRRRMAXCCV32CCV7实验室给的固定电阻一个为15.1KΩ，还有一个50KΩ的滑动变阻器。1R=15.1KΩ，2R=50KΩ的滑动变阻器，满足上式条件。(2)3R的选择由于不知道实验室给的LED的参数，所以只能用实验的方法来确定与LED串联的电阻的大小，用100KΩ—1KΩ的电阻与LED串联，发现用1KΩ的电阻最合适，所以选1KΩ的电阻。(3)电容1C的的选择本实验没用端口5,这种情况下在经验中一般是通过0.01uF的电容接地，以防旁路高频干扰。四、课程设计总结通过这几天对传感器的设计，认识到了自己的不足，要想把书本上的知识学好并应用，就必须到实践中去，发现问题，解决问题，比如对模电、数电中的某些集成元件不再那么熟悉。通过这次课程设计，让自己对一些忘记的知识进行了复习，巩固了自己的基础知识，也学会了很多东西，但自己还有很多不足之处，在以后的时间里需要更加努力，弥补自己的不足之处。这次的课程设计使我受益匪浅，增强了自己的动手能力，使自己的能力有所提高，最后感谢马老师、秦老师和高老师对我耐心的指导。参考文献[1]胡向东，刘京成，余成波．传感器与检测技术[M]．机械工业出版社，2001．[2]吴桂秀．传感器应用制作入门[M]．浙江科学技术出版社，2004．[3]王庆正，郑初华.Protel99se&DXP电路设计教程[M]．电子工业出版社.2006[4]闫石数字电子技术基础（第五版）[M]．高等教育出版社.2006