酒精浓度检测报警电路设计

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。汽车已然成为现代社会必不可少乃至无可取代的产物，所以我国汽车的总数不断增加，从而导致交通事故的不断发生，而其中酒后驾驶导致的事故的占大部分。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，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。

2  系统整体框架

2.1  课题分析

   模拟报警器一般由传感器、放大器、比较器、电源电路和声光报警电路组成，其框架如图1所示。

     图1 模拟电子报警器框图

传感器对外界信息进行检测，配合外接电路，将外界信息的变化转化为一个电压信号;该信号通过放大器放大后，得到一个较大的电压；将该电压输入到电压比较器中与参考电压进行比较；比较器的输出结果有两种，要么高电平，要么低电平，以此来控制声光报警电路是否工作。

2.2  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，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。

2.3  设计框图

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：

图2 电路设计整体框图

2.4方案论证

2.4.1  稳压电路的选择

第一种：传统三端线性直流稳压电源

虽然成本低、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。

第二种：SIP封装的开关直流稳压电源

采用了业内领先的塑封压模块工艺，大大提高了产品在恶劣环境中的工作能力和寿命，不过电路中的“热点”无法消除、功率密度不够高、无法进行自动贴片。

基于电路的考虑选择了方案一传统三端线性直流稳压电源（7805芯片）。

2.4.2  检测模块

检测模块是检测器的心脏，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。因此我们设计了一下二种方案：

第一种：用红外发射——接收管

用红外线发射管发出红外线，经过需要检测空气质量区域空间，在检测空间的另一端用红外接收管接收经过空气调制的红外线信号。然后将接收到的信号进行处理，得出空气质量信息（气体温度、浓度等）。其流程如图3所示。

图3 红外发射流程图

该方案虽检测距离远，精度很高，远距离响应速度快，适合用于高端专业测量设备。但是硬件设备要求较高，信息处理算法较复杂，开发成本较高。

第二种：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，也就是选择方案二。

2.4.3  气敏传感器选择

第一种：直热式MnO₂半导体气敏传感器

制作工艺简单、成本低、功耗小，可以在高回路电压下使用、价格低廉的可燃气体泄漏报警器。但是其热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间巷削辑离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩，易造成与材料的接触不良。

第二种：旁热式MnO₂半导体气敏传感器

          图4   旁热式气敏元件结构示意图

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。  综上我选择了方案二旁热式MnO₂半导体气敏传感器（QM-NJ9型）。

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（V H ）        AC或DC 5±0.2V 

回路电压（Vc）          最大24VDC 

负载电阻（R L ）        4KΩ 

清洁空气中电阻（R a ）  ≤2000KΩ

灵敏度（S=R a /R dg ）  ≥5（在100ppmC 2 H 5 OH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（tres c）      ≤30S 

元件功耗                ≤0.7W 

检测范围                50~5000ppm

其工作原理为：

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，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CO2、NO2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5可知

                      图5   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。

由其特点、技术指标和工作原理可以知道这非常适合本次设计的要求，综上我选择了第二种旁热式MnO₂半导体气敏传感器（QM-NJ9型）。

3  电路的选择 

图6

由图6可知电路主要是由三端稳压块IC1（W7805）、大功率开关电路IC2（TWH8778A）、语音电路IC3（TM801）、功放电路IC4（LM386）及QM-NJ9型酒精传感器、继电器KA等组成。BL是1瓦、8欧姆的小型扬声器。

电路分析

如图6所示，12V电源经隔离二极管VD1、C1滤波以后分为多路：一路经电阻R1限流使LED1导通发光；另一路经IC1压为（5±0.2）V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IC2，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端电位较低，经RP1分压后加到IC2上的控制电压不能使电子开关导通，后级电路因无供电而无法工作；当酒精传感器检测到酒精气味时，其B端电位就会随检测到的酒精浓度的增加而上升。当该点电压上升到使IC2控制极上的电压为1.6V以上时，IC2被控制导通，它的输出端就有电压输出，该电压分为多路：一路经R2、R3为语音集成电路IC3提供供电；另一路加到功放电路IC4上。这两路供电使报警电路工作。IC3产生的语音信号经电容C4耦合，加到IC4上，再经功率放大以后输出。该信号一路使LED2发光二极管闪亮；另一路经C8驱动扬声器BL发出“酒后别开车”的语音报警声，从而实现声、光报警。IC2导通后输出电压的第三路加到继电器KA线圈上，使其得电吸合，其常闭触点KA1断开，从而切断了车辆点火电路，强制发动机熄火。

4 电路的实现

   整体电路已经选择好了，现在我们逐个模块来分析电路的实现。

4.1 电源的选择及设计

4.1.1稳压电源的原理

1) 小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成如图7所示。

u3

u2

u1

                                图7

    由于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。又因为电池释出的是12V直流电压，所以并不需要用到变压器。

    2）整流和滤波电路

    在稳压源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，但本电路设计中只需要通过VD1和C1进行整流和滤波。

3）稳压电路

由于输入电压发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，为了维持输出电压稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而稳吃稳定输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单那等优点。

集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又分为正电压输出或负电压输出两种类型。

（a）固定电压输出稳压器

常见的有CW78（LM78）系列三端固定式正电压输出集成稳压器：CW79（LM79）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。要求输入电压U与输出电压U的电压差U- U≥2V.稳压器的静态电流I=8mA。当U=5~18V时，U最大值U=35V；当U=18~24V时，U的最大值U=40V。

    (b)可调式三端集成稳压器

    可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正压的CW317系列（LM317）三端稳压器：有输出负电压的CW337（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为U=1.2~37V,最大输出电流I=1.5A。输出电压与输出电压差的允许范围为：

U- U=3~40V

4.1.2 稳压电源的设计

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压U、输出电流I、输出纹波电压△U等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。在这个设计中，由于是用的直流电源，所以可以选择三端线性直流稳压电源（7805芯片）。其电路如图6所示。

4.2 传感器电路的设计

由本文第二部分可知，酒精浓度报警器应选择QM-NJ9型气敏传感器，气敏传感器由气敏元件、测量电极和加热器构成，固定在塑料或不锈钢制成的腔体内加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状引脚，引脚排列如图8所示，其中2个引脚（H、H）为加热电阻，为气敏元件提供必要的工作温度，气敏元件一般工作在200摄氏度以上的高温，气敏元件正常工作所需要的加热电路功率一般在（0.5——2.0）W的范围。4个引脚（A、A和B、B）用于信号输出。使用时，2个H引脚分别接+5V电源和地，2个A引脚相连接，2个B引脚相连接,具体接法如图6所示。

A

H

A

B

H

B

           图8

4.3 大功率开关电路的设计

传感器产生的电信号是否要放大，与其大小有关。查阅相关参考资料可知，QM系列气敏元件，能够产生足够大的电压信号，以驱动比较器工作，故可不设放大极，直接接到比较器中实现比较。

本设计使用大功率开关电路IC2（TWH8778A）来相当于比较器的功能，当酒精传感器B端的电位随检测到的酒精浓度的增加而上升时，IC2控制极上的电压也会随着上升，当达到1.6V以上时，IC2就被控制导通，它的输出端就会有多路电压输出，从而使后级电路得到供电而工作。具体电路的接法如图6所示。

4.4 语音集成电路的设计

自IC2输出端输出电压的其中一路经R2、R3为语音集成电路IC3（TM801）提供供电，使IC3内部电路工作，并从其输出端输出语音信号。具体电路的接法如图6所示。 

4.5 功率放大集成电路的设计

   因为市面上的功率放大集成芯片有许多种，而本设计选用的LM386就是其中一种。它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9、图10所示：

图9. 内部电路图

图10 引脚功能图

而且LM386的特征为：静态功耗底，约为4mA，可用于电池供电；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℃。这使其非常适合与本设计电路的应用。

  其工作原理：IC2输出的其中一路电压通入IC4（LM386）中使其工作，IC3产生的语音信号经C4耦合，加到IC4上，经功率放大以后输出。

  其典型应用电路可以从图11得知：

                           图11  LM386的应用电路

4.6 报警模块电路的设计

  4.6.1  声音报警

   经IC4放大后信号的一路，通过电容C8驱动扬声器BL发出语音报警声，来实现声报警。

4.6.2  发光二极管报警

经IC4放大后信号的另一路使LED2、LED3发光二极管闪亮来实现光报警。

4.7 自动控制模块

自动控制就是当检测到车内酒精浓度超标时，自动及时警告驾驶员，并强制将发动机熄火。

电路实现：IC2导通后输出电压的第三路加到继电器KA线圈上，使其电吸合，其常触点KA1断开，从而切断了车辆点火电路，强制发动机熄火。

5  总结

2010年3月，我开始了我的毕业论文设计工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到思路的清晰，整个写作过程难以用言语来表达，历经几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下帷幕。回想这段时间的经理和感受，我感慨万千在这次毕业设计的过程中，我拥有无数难忘的回忆和感受。

当把题目定下来时，是：酒精浓度检测报警器。当时我便着于资料的收集工作，当时面对浩瀚的书海，真是有些茫然，壁纸如何下手，我将之一困难告诉了老师，在老师和同学的细心指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。

在写作的过程中，遇到困难就及时找老师、同学沟通、交流、在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。

当我终于完成了所有的打字、绘图、排版、校队的任务后，整个人都很累。当他是看着电脑屏幕上的毕业设计稿件，我的心理是甜的，我觉得一切都值的。至次毕业论文的制作过程是我的一次学习，在提高的过程。在论文中，我充分的运用了大学期间所学到的知识。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识，在今后的日子里，我还要不断的充实自己，争取在所学的领域里有所作为。

脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难，坚持不懈，吃苦耐劳的精神是我这次设计中最大的收益，我想这是一次一直磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来学习和工作有很大的帮助。

参考文献

[1]姜 威.  《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]杨表行.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社.2006

[4]刘征宇.《电子设计实战攻略》.福建科学技术出版社.2006

[6]宋文绪.《传感器与检测技术[J]》.高等教育出版社.2004

[7]谭博学.《集成电路的原理及应用（第二版）》.电子工业出版社.2007

[8]杨素行.《模拟电子技术基础》.高等教育出版社.2005

[9]  http://www.unsp.com/download/index.aspx

[10] http://bbs.elecfans.com/dispbbs_76_2486_1724_skin1.html

附录一:报警器的原理图

附录二:报警器的PCB板

附录三: 配件清单

        本文是在王老师精心指导和大力支持下完成的。王老师多次询问，并为我指点迷津帮助我开拓思路，解决知识盲点。王老师以其严谨求实的治学态度，高度的敬业精神，孜孜以求的工作作风和大胆的创新精神对我产生了重要的影响。同时在这次论文编写的过程中，我加深了知识的理解和运用。本论文从选题到完成，每一步都是在王老师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血. 在此，谨向王老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！