简易酒精浓度测试装置的设计

课程设计说明书题目:简易酒精浓度测试装置的设计

学院（系）：里仁学院电气工程系年级专业：15级工业自动化仪表学号：151203021046

姓名：蔡明李

指导教师：程淑红燕山大学《传感器原理与设计》课程设计任务书

院（系）：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系

学号学生姓名专业（班级）15级仪表1班

设计题

目

简易酒精浓度测试装置的设计

设计技术参数

选用气敏传感器设计一个简易酒精浓度测试装置，当有一定浓度的酒精靠近时，条形LED显示器显示，并且条形LED显示器显示的个数与酒精浓度成正比。

在实验室现有的开发装置上操作，设计硬件电路，包括电源、放大电路和LED显示等电路等；

设计要求

1.理论设计方案及论证

2.传感器结构设计、理论分析、参数计算

3.硬件电路设计，利用MULTISIM等有关工具软件绘制电路原理图、提供元器件清单，可进行制作调试。

4.提交课程设计说明书

工作计划2~3：收集消化资料及拟定设计方案

4～5：敏感元件、传感元件设计、转换电路设计6~7：设计结果实验验证或演示，撰写设计说明书8~9:制作ppt，准备答辩。

参考资料1.吕泉.现代传感器原理及应用清华大学出版社2006

2.何利民.单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社

3.吕俊芳传感器接口与检测仪器电路国防工业出版社2009

指导教师签字程淑红基层教学单位主任签字谢平

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

2017年12月31日燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：

1、认真、很好的完成课设各阶段的任务。【】

2、能够较好的完成课设各阶段的任务。【】

3、能够按时完成课设各阶段的任务。【】

4、不按时完成课设各阶段的任务。【】

指导教师：程淑红

2017年1月10日

答辩小组评语：

1、全面、得体的回答老师的提问。【】

2、能够简要回答老师的提问。【】

3、能够回答部分老师的提问。【】

4、不能回答老师的提问。【】

组长：程淑红

2017年1月10日课程设计总成绩：

2017年1月10日目录

摘要 (I)

引言 (1)

第一章课程设计要求 (2)

1.1课程设计目的与任务 (2)

1.2设计要求 (2)

1.2.1本课题主要完成的设计部分 (2)

第二章传感器简介 (3)

2.1气敏传感器介绍 (3)

2.2酒精传感器 (4)

2.3MQ-3资料 (5)

第三章电路设计原理 (9)

3.1比较器 (9)

3.1.1电压比较器 (9)

3.2运算放大器 (10)

3.3LM324用作比较器 (12)

3.4触发器 (14)

3.4.1电路构成 (15)

3.4.2两个稳态 (16)

3.4.3触发翻转 (16)

3.4.4真值表 (16)

3.5声光报警电路 (19)

3.6电路原理图 (20)

第四章误差分析 (21)

第五章结论及心得 (23)

参考文献 (25)摘要

随着人类社会的不断进步，科学技术的突飞猛进，给我们的生活带来了日新月异的变化。汽车已然变成了现代社会必不可少无可取代的交通工具，所以我国汽车的总数不断增加，而且中国人的请客劝酒文化根深蒂固，一到喜庆节日酒后驾驶的现象更为严重。然而酒后驾车是导致交通事故的一个主要事故，为了防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场测试人体呼气中酒精含量已经受到了重视，所以酒精浓度测试仪正在得到广泛的关注与应用。目前，各式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进行提取分析，得出气体的准确信息。所以针对此类现象，我们利用MQ-3气敏传感器设计了一款简易酒精浓度监测装置，并对其结构特点、工作原理及其调试方法进行了详细的分析介绍。该系统利用LM324比较器和传感器对人体酒精浓度进行检测，判断酒精浓度是否超标。

本次设计的最终目标就是设计出一个性能稳定、能够广泛被使用的酒精浓度测试装置。

关键词：酒精浓度、MQ-3气敏传感器、LM324比较器

I引言

如今的中国经济高速发展，人民生活水平不断提高，各种机动车已经成为人们生活中不可缺少的一部分。尤其是私家车的出现，无疑使人们生活和工作的效率大大提高，可是由它带来的问题也随之而来，这就是安全的问题。多年前交通管理者判定驾驶人员是否有饮酒只能靠主观判断、肉眼的观察和去医院进行血液中酒精含量的检测，这些不科学不及时的方法造成了很多不必要的误会和麻烦。上述问题的出现都是无奈于没有便于携带的安全准确的能在线检测酒精浓度的检测仪器。本仪器采用MQ-3乙醇气体传感器作为敏感单元，把气体中含有的乙醇气态浓度转换成电信号，经LM324比较器电路触发二极管发光，由二极管直观显示被测气体中的乙醇浓度是否超标。

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第一章课程设计要求

1.1课程设计目的与任务

（1）设计一个简易酒精浓度测试装置

（2）选用一个合适的气敏传感器，设计相关电路

（3）实现电路仿真、实现、测试

（4）完成设计报告

1.2设计要求

1.2.1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，从而利于后面电路的处理。

（2）声光报警电路

在酒精浓度超标时，电路产生相应的警告信号，即LED显示器显示的个数与酒精浓度成正比，同时驱动蜂鸣器产生音频信号。

第二章传感器简介

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惕、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。

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0

2和NO

2

，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H

2

、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。

2.2酒精传感器

现今市面上主要有两种类型的酒精传感器，电化学型和半导体型，电化学型的―般比较贵：准备选用半导体型的，而半导体型的又分为旁热式和直热式两种，因为旁热式的加热电阻功率较大需要和敏感电阻分开供电，这样对路电源要求较高，所以在此选用直热式半导体酒精传感器MQ-3。

MQ-3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。

MQ-3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20±0.5V的电压使传感器尽快稳定并进入工作状态。

2.3MQ-3资料

如下表：

●线性度：80（%F.S.）

●迟滞：60（%F.S.）

●重复性：95（%F.S.）

●灵敏度Rs(in air)/Rs(125ppm酒精)≧3●漂移：±3ppm

●分辨力：无

图2-1元件外形结构

图2-2灵敏度特性曲线

图中纵坐标为传感器的电阻比（R

S ／R

O

）横坐标为气体浓度。

RS表示传感器在不同浓度气体中的电阻值R

O

表示传感器在

0.4mg/L酒精中的电阻值，图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

图2-3基本测试回路

上图是传感器的基本测试电路，该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（V

H ）和测试电压（V

C

）。其中V

H

用于为传感器提供特

定的工作温度，V

C 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（R

L

）上

的电压（V

RL ）。这种传感器具有轻微的极性，V

C

需用直流电源，在

满足传感器电性能要求的前提下，V

C 和V

H

可以共用同一个电源电

路，为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的R

L

值。

在仿真电路里，我们省去了加热电路，并且为了方便观察用滑动变阻器来代替传感器变化的阻值。

图2-4传感器仿真电路第三章电路设计原理

3.1比较器

对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1，当输入电压的差值增大或减小且正负符号不变时，其输出保持恒定。

3.1.1电压比较器

电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当“+”输入端电压高于“－”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“+”输入端电压低于“－”输入端时，电压比较器输出为低电平。

电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此人们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。

可用作电压比较器的芯片：所有的运算放大器。常见的有LM324、LM358、uA741、TL081\\2\\3\\4OP07、OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。

在这里，我们使用去掉反馈电阻的LM324运算放大器作为电压比较器。

3.2运算放大器

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互。

图3-1LM324运算放大器符号

每一组运算放大器可用图3-1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-2。

图3-2LM324引脚排列图

3.3LM324用作比较器

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出高电平。

图3-3中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>U1时，运放A1输出高电平；当Ui U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2>U1，则当输入电压在[U2，U1]区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。

图3-3LM324用作比较器电路原理图

图3-4比较器仿真电路

3.4触发器

RS触发器是构成其它各种功能触发器的基本组成部分。又称为基本RS触发器。结构是把两个与非门或者或非门G1、G2的输入、输出端交叉连接。在这里，我们选用与非门（74LS00）构成的基本RS触发器。

3.4.1电路构成

由两个与非门交叉构成的基本RS触发器如图3-5所示。它是一个无时钟控制低电平直接的触发器，有两个互补的输出端Q和Ǭ，规定Q的状态为触发器的状态，Q=1时，触发器为1态，Q=0时，触发器为0态。当输入端加上信号，触发器变离原状态时，叫做触发，所加的信号叫做触发脉冲。两个输入端中，R端叫做0输入端或复位端，S端叫做置1端或置位端。其特征方程为：

（约束条件）

图3-5基本RS触发器3.4.2两个稳态

Q=1、非Q=0；Q=0、非Q=1

当Q=1和非RD=1决定了A门的输出非Q=0，非Q=0反馈回来，又保证了Q=1；

当非Q=1和非SD=1决定了B门的输出Q=0，Q=0反馈回来，又保证了非Q=1；

在没有加入触发信号之前，即两端都是高电平，电路的状态不会改变。

3.4.3触发翻转

电路要改变状态必须加入触发信号，因是与非门构成的基本RS触发器，所以，触发信号是低电平有效。若是由或非门构成的基本RS触发器，触发信号是高电平有效。非RD和非SD是一次信号，只能一个个加，即它们不能同时为低电平，因为会有逻辑矛盾（Q=非Q）。

3.4.4真值表

基本RS触发器用真值表来描述，表中的Qn和表示触发器的现在状态，简称现态；Qn+1和表示触发器在触发脉冲作用后输出端的新状态,简称次态。对于新状态Qn+1而言，Qn也称为原状态。

图3-6触发器仿真电路

3.5声光报警电路

该报警电路由发光二极管、蜂鸣器及其附属电路组成。

图3-7声光报警仿真电路

当触发器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，蜂鸣器发出声音报警。当触发器输出高电平时发光二极管正向电压低于负向电压，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3-8电路原理图第四章误差分析

误差分析是指对误差在完成系统功能时，对所要求的目标的偏离产生的原因、后果及发生在系统的哪一个阶段进行分析，把误差减少到最低限度。

在本次设计中我们发现了以下产生误差的原因：

（1）温湿度对传感器灵敏度的影响

图4-1温湿度的影响

图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含0.4mg/L 酒精、不同温湿度下传感器的电阻值。Ro表示在含0.4mg/L、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值。从图中可以看出温湿度对传感器灵敏度的影响非常大。

（2）负载电阻的影响

在仿真中使用的负载电阻为100K欧姆，传感器电阻为1M欧姆，两者仅为10倍关系，在电阻变化时灵敏度会有影响。

（2）电压比较器测量范围

在仿真中使用的是用LM324运算放大器代替的电压比较器，并不是严格意义上的比较器，测量范围用两滑动变阻器调整，所以使用时会存在一些误差。

第五章结论及心得

本设计以MQ-3型还原性气体元件作为酒精传感器，结合电压比较电路，触发器及报警电路以及功率开关电路实现了酒精浓度超标报警。将该酒精传感器安装在汽车内部，还实现当驾驶人员饮酒后使汽车无法启动的功能。并作了可行性实验，是一款电路设计简单、功能完善、工作性能好的低成本传感器。基于气敏元件的通用性，电路1还可以由实际需要进行改进。例如可以改用检测其它泄漏气体浓度，只要选择合适的气敏元件进行替代就可，电路其他部分均无需改动，十分方便实用。该报警电路在不同需要使用中，可以选择适当的灵敏度进行报警。例如在对酒精浓度要求较高的场所，可以降低比较器LM324的基准电压，当有轻微酒精浓度升高就能进行报警。另外在其它浓度要求不高的场所，可适当提高基准电压，使灵敏度略为降低。

经过两周的课程设计，我理解了很多专业知识并且专业技能上也有课很大的提升，同时课程设计是一门讲道课也是一门辩思科，给了我们很多道理也给了很多思考，给了我们很大的空间去发挥。同时设计让我们感触很深，使我对抽象的理论有了更具体的认识，通过这次课程设计，我掌握了电路的识别和测试；熟悉了Multisim 软件的使用；掌握了仿真电路形成与完成的方法和技术，通过查询资料，也了解了酒精传感器MQ-3的原理。从理论到实践，在这段日子里，学到了很多上课学不到的东西。通过这次课程设计，我也懂得了理论与实际结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和思考能力。实验过程中，也对团队精神进行了考察，让我们合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。也感谢我们的老师，给我们解答我们不会不懂得问题，为我们解决每次的问题，也感谢老师对我们严格的要求，让我们真正的从本次课设中学到了知识。

参考文献

[1]单成祥，传感器的理论与设计基础及应用[M]北京：北京国防工业出版社，1999.

[2]崔海朋，车载酒精探测控制仪设计[J]今日电子，2009（3）：75-77

[3]王彩虹，酒精检测仪的研制[J]科技信息学术研究，2008（29）：91-92

[5]https://wenku.baidu.com/view/67fc74f9c8d376eeaeaa3 1c8?pcf=2