酒精浓度检测报警电路设计

11引言随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,汽车已然成为现代社会必不可少乃至无可取代的产物，随着我国汽车的总数不断增加，交通事故也在不断发生，而其中酒后驾驶导致的事故的占大部分。中国人的请客劝酒文化根深蒂固，在酒桌上往往会遇到劝酒的现象，有的人总喜欢把酒场当战场，想方设法劝别人多喝几杯，认为不喝到量就是不实在，喜欢“以酒论英雄”，一到喜庆节日酒后驾驶的现象更为严重，如不及时提醒，后果将会不堪设想。所以这更需要对汽车内的空气进行实时监测,以便及早得提醒驾驶员，有效的防护酒后驾驶，减少交通事故。目前，在空气检测领域，各式各样的气敏传感器层出不穷，而各式各样的酒精检测设备也应运而生，且采用的都是对气体信息进行提取分析，得出气体的准确信息，但现在这些空气质量检测设备都有一个致命的缺点是—-价格昂贵，以致于难以大量普及运用。除此之外，大部分功能较单一、实时性较低。因此，开发一个实时性高、性能稳定、经济实用的酒精浓度检测报警器便是本设计的最终目标。22系统整体框架2.1设计要求在本次设计中，要求所设计的酒精浓度检测器具有报警功能。当酒精浓度大于设定值时，光电和声音报警电路会工作以提醒用户，而且还能强制发动机熄火。2.2方案论证2.2.1检测模块：检测模块是检测器的核心，只有准确可靠的检测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是非常重要的。因此我们设计了下面的方案方案：气敏传感器检测运用传感器检测，根据传感器在不同气体环境中电阻的变化，从而引起输出电压的变化，将电压信号传给单片机分析。该方案虽然检测距离近，响应速度较慢，精确度较低。但是输出信号处理方便，价格便宜，开发成本低，适合普通用户使用我们设计的产品主要是面对普通用户，并且只是在汽车内，这种空间比较小的地方，测量距离不用很远。当驾驶员喝了酒上车的时候，酒精很快就可以蔓延到车里的每一个角落，这样传感器也就很快就可以检测到酒精浓度在增加。因而我们选择了价格比较便宜的气敏传感器作为我们的检测模块。32.2.2气敏传感器的选择方案：旁热式MnO₂半导体气敏传感器图2旁热式气敏元件结构示意图其克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，免了回路间的相互影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性，不过价格昂贵。近年来，使用二氧化锡(SnO2)气敏元件制成的酒精检测器，不仅对酒精味敏感，对汽油味、香烟味同样敏感，易造成检测失误，因此限制了它的普遍推广和使用。因此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。QM-NJ9的特点是：专用于乙醇，酒精等有机液体蒸汽的检测，对汽油蒸汽有抗干扰的能力，而且灵敏度高，响应速度好，寿命长、工作稳定可靠。其技术指标为：加热电压（VH）AC或DC5±0.2V4回路电压（Vc）最大24VDC负载电阻（RL）4KΩ清洁空气中电阻（Ra）≤2000KΩ灵敏度（S=Ra/Rdg）≥5（在100ppmC2H5OH蒸汽中）分辨率（D=Riq/Rdq）≥3（在100ppm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50~5000ppm2.2.3稳压电路的选择方案：传统三端线性直流稳压电源该方案成本低、简单易用、元器件化，但是其效率低、需要较大的散热器、系统成本高。基于电路的考虑选择了传统三端线性直流稳压电源（7805芯片）。2.2.4声音报警模块方案：扬声器报警用扬声器发出设计时实现录制好的声音，提醒驾驶员切勿酒后驾驶。当检测到有害气体浓度超标的时候，通过扬声器警告驾驶员。2.3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，并采取相应的自动处理措施的控制系统。我们将检测报警器分为以下几大组成部分：电源模块、气体检测模块、开关电路控制模块、声音报警模块、显示模块、自动控制模块。图3便是空气质量检测报警器的系统框图：5图3电路设计整体框图3系统硬件设计3.1电源模块该电路是安装在汽车上，所以可以使用车上的12V蓄电池电压。在无备用蓄电池的场合使用时，也可配上8节1.5V的7号电池。3.2稳压电路3.2.1三端稳压集成电路7805图47805的实物图所谓三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管。电源模块气体检测模块声音报警模块LED发光报警自动控制模块开关电路控制模块6用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。而且三端固定集成稳压电路的使用方便，所以电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在78系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如图5所示。图5从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，③脚为输出位。如对于78**正压系列，①脚高电位，②脚接地，输出是③脚。此外，还应注意，散热片总是和接地脚相连。这样在78**系列中，散热片和②脚连接。73.2.27805应用电路7805集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板图67805的应用电路3.3信号采集模块3.3.1气敏传感器的原理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。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，VinVoutGNDVR?LM7805T1TransCuplD41N4007D21N4007D31N4007D11N40072200uFC147uFC20.33uFC310uFC40.1uFC+5VAC:220VAC:9VRLR18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7可知图7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。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）9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8），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。图8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.10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11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。3.3.2气敏传感器的电路传感器电路如图9所示图9传感器电路H到H为加热电阻，为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻(指加热器的电阻值)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(0.5～2.0)W范围。因此，如果在系统采用单电源工作时，会产生很大压降，必须采用多电源工作，才能使气敏传感器工作在正常的电压下。A到A为气敏元件的电阻值（在常温下洁净空气中的电阻值），一般其电阻值在(103～105)Ω范围。RL为分压电阻，当空气中气体浓度发生变化时，气敏元件的电阻值将会改变，从而,Vout的电压值也将会改变。3.4功率放大器集成电路（LM386）3.4.1LM386概述LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电12池供电的场合。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM386的内部电路图及引脚排列图如图10、图11所示：图10.内部电路图图11引脚功能图3.4.2LM386的特征静态功耗底，约为4mA，可用于电池供电。13工作电压范围宽，4-12V或5-18V。外围元件少。电压增益可调，20-200.低失真度。储存温度-65℃至+150℃操作温度0℃至+70℃结温+150℃3.4.3LM386的典型应用电路LS1SpeakerR110k23541786U1LM386Vin250uFC4VCC0.01uFC20.05uFC310R210uFC1图12LM386的应用电路3.5报警模块3.5.1声音报警14图14喇叭实物图音频板块是由音频电路和喇叭(8欧，0.5瓦)构成。音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。可以工作在2.4~6V范围内，