酒精濃度檢測通道課設設計

1、酒精濃度檢測通道課設設計 本科生課程設計（論文） 遼 寧 工 業(yè) 大 學 信號變換綜合設計 課程設計（論文） 題目：酒精濃度氣體測量儀測量通道設計 院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字） 起止時間： 2013.12.302014.01.10 2 本科生課程設計（論文） 課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室：測控技術(shù)與儀器 注：成績：平時40% 論文質(zhì)量40% 答辯20% 以百分制計算 I 本科生課程設計（論文） 摘 要 機動車駕駛員酗酒后開車以及從事危險工作行業(yè)的人員酗酒后操作，都會造成嚴重的事故。用簡便、準確、衛(wèi)生的檢測儀器進行

2、檢測，消除在飲酒方面的隱患，對減少因酗酒造成的事故，保護駕駛?cè)撕托腥说娜松戆踩哂兄卮笠饬x。 本次設計的酒精濃度檢測儀的通道設計，采用先進的薄膜傳感器，并組成全橋式電路，能更加準確靈敏的采集信號。該種傳感器的輸出信號比較小，用多級運放將其放大后用濾波電路，對信號進行優(yōu)化，排除干擾和噪聲。后對其與基準電壓進行比較，以此來驅(qū)動顯示電路，獲得想要測量的濃度檢測信息。 該酒精檢測儀器性能穩(wěn)定，測量靈敏，抗抗高頻干擾能力強。適用對是否酒駕的檢測，檢測結(jié)果可靠，測量效果很好，具有的一定社會效益和開發(fā)前景。 關(guān)鍵詞：酒精濃度檢測儀；運算放大電路；比較電路 II 本科生課程設計（論文） 目錄 第一章 緒論 .

3、1 1.1 酒精檢測儀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . 1 1.2 酒精檢測儀的工藝和特點 . 1 1.3 酒精檢測儀的指標 . 2 第二章 總體設計 .3 2.1 總體流程框圖 . 3 2.2 電路組成和分析 . 3 第三章 電路設計 .5 3.1氣敏傳感器的選型和電路設計 . 5 3.2運算放大器的設計和分析 . 6 3.3 濾波電路的設計和分析 . 7 3.4比較選擇電路 . 7 3.5 顯示電路 . 8 第四章 電路仿真 .9 4.1 傳感器模擬仿真信號 . 9 4.2 運算電路仿真結(jié)果 . 9 4.4 電壓比較器電路仿真結(jié)果 . 10 第五章 設計與總結(jié) .11 參考文獻 .12 附錄I.13 附

4、錄II.14 III 本科生課程設計（論文） 第一章 緒論 1.1 酒精檢測儀國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 隨著汽車業(yè)的發(fā)展，世界的汽車總量也在增加。隨之而來的是交通事故次數(shù)的增長。事故大多是因為飲酒駕車，所以用來控制酒駕的酒精檢測儀的需求在逐漸的增加。目前，國內(nèi)外酒精檢測儀主要還是電化學性的。在方式上主要有如下兩種：一種是發(fā)光管顯示；一種是數(shù)碼管顯示。發(fā)光管顯示一半常見的分為三段顯示：一段為未飲酒區(qū)；一段為飲酒區(qū)；一段為酗酒區(qū)。根據(jù)測試的情況，相應的指示燈被點亮。另一種是數(shù)顯式酒精檢測儀，檢測結(jié)果以數(shù)字的形式顯示出來。而在最近兩年出現(xiàn)了一種新型比較流行的半導體酒精檢測，這是一種高可靠、高精度、呼吸式酒精檢

5、測儀。它的核心部件采用新型高科技微變氧化物半導體，可以準確探測氣體酒精濃度，且不受煙味、可樂、咖啡等非酒類氣體的干擾。小巧輕便，操作簡單，便于攜帶。 1.2 酒精檢測儀的工藝和特點 顧名思義，酒精檢測儀的檢測對象是用于酒精濃度的檢測。本酒精檢測儀選用二氧化錫（SnO2）材料，其具有較高的靈敏度、且最高靈敏度對應的工作溫度較低、電路簡單、造價低廉、使用方便等特點?；诒∧すに囬_發(fā)出了以二氧化硅薄膜為感應薄膜的乙醇氣敏傳感器，為制作出性能優(yōu)良的傳感器提供了一種好的選擇。 二氧化錫薄膜氣敏傳感器屬表面控制型，其表面電阻變化決定于薄膜表面吸附氣體與半導體材料之間的電子變換。通常感應薄膜工作環(huán)境是空氣，

6、空氣中的氧電子兼容性較大，與半導體材料接觸時吸附表面電子鎖帶的負電荷，使N型半導體材料的表面空間電荷區(qū)域的傳導電子減少，導致薄膜表面電導下降，于是薄膜表面處于高阻狀態(tài)： 1O2?ne?O n ? （1-1） 2 式中：On?為吸附負電荷的氧；e為氧束縛材料中的電子電荷；n為若干個數(shù)。 一旦感應薄膜與被測氣體接觸，被測氣體就會與薄膜表面吸附的氧發(fā)生化學反應。乙醇氣敏傳感器就是利用二氧化錫感應薄膜表面吸附乙醇氣體后表面電阻 1 本科生課程設計（論文） 的變化來測試乙醇濃度的。其原理是當N型的二氧化錫膜被加熱到一定溫度后，其空穴中的電子將吸附在其表面的氧氣分子變成帶電狀態(tài)，此時氣敏薄膜的電阻發(fā)生相應

7、變化，該過程可以用(1.2)表示： O2(gas)?2e?2O? （1-2） 經(jīng)過該過程后二氧化錫薄膜才會對被測氣體具有還原性敏感，通常將該過程成為敏感化過程；當敏感化后的二氧化錫薄膜接觸到乙醇氣體時，乙醇氣體分子與SnO2表面帶電的氧離子發(fā)生如下反應： C2H5OH(gas)?O?2CH3CHO(gas)?2H2O （1-3） 從式（1.3）中可以看出，反應結(jié)束后電子重新回到SnO2表面的空穴當中，于是二氧化錫薄膜的表面電子再次發(fā)生變化，根據(jù)標定的數(shù)據(jù)可以推算乙醇氣體的濃度。 1.3 酒精檢測儀的指標 選用元件的原則主要考慮對酒精（乙醇）氣體敏感的傳感器，并且在較低濃度時就能有比較敏銳的反應

8、，在了解較多生產(chǎn)酒精氣體傳感器生產(chǎn)廠商的元器件性能后，本設計選用費加羅公司生產(chǎn)的酒精氣體傳感器TGS822，它的主要性能參數(shù)如下： 酒精測量范圍：50-5000ppm； 靈敏度（電阻比）：0.3-0.5； 電路電壓：24V（DC/AC）； 加熱器電壓:5V0.2V (DC/AC)。 2 本科生課程設計（論文） 第二章 總體設計 2.1 總體流程框圖 2.2 電路組成和分析 測量電路：采用全橋的方法。相對的的兩個橋壁采用同極性的氣敏傳感器，相鄰橋壁采用相反極性的氣敏傳感器。這樣做可以提高檢測靈敏度，防止酒精氣體在較低濃度時測量產(chǎn)生誤動作。如圖2.2為使用電橋法測量乙醇氣體濃度的電路原理圖。 3

9、本科生課程設計（論文） 由電路原理可以得到： ? V RL ? C L b (2?1) ?C V RL ? L b s (2?2) V(R?R)(RL?Rb)?（Rs-Rb-Rs） V(R?R-R)(RL?Rb)?（Rs-Rb-Rs） 運算電路：將從傳感器得來的信號，進行放大，一便后來進行處理。 濾波電路：把放大的信號進行濾波，排除干擾信號，保證測量的真實和準確。 鎖存：由于檢測到的電壓信號時連續(xù)的時間信號，它的幅值是在時刻變化著的，我們想要得到的是在呼出氣體量中濃度的最大值，但是傳感器檢測到的最大值時間很短，如果要求檢測者在這短時間內(nèi)觀察被檢者呼氣方式是否正確、又要觀察讀數(shù)并讀取最大值，眼睛

10、會應接不暇，極易漏讀、誤讀。本設計用2個與非門組成一個最基本的SR鎖存器，對于由測量值與標準值的比較得到的輸出有用信號及時保存，這樣在連續(xù)的檢測過程中就能選擇到在這個連續(xù)過程中的輸出最大值，并及時保存到鎖存器中來，驅(qū)動第四部分的顯示電路一直作用。 顯示電路：在來自鎖相器的信號為高電平時，發(fā)光二極管接受到的信號能使LED燈泡點亮，如果輸出為低電平，也就是說被檢測氣體中乙醇濃度沒有超標，比較放大輸入為反向端有效，輸出信號被置成低電平，鎖相器未動作，由鎖相器輸出的是未被保存的低電平信號，沒能讓LED燈泡點亮，這樣就完成了設計的全過程。如果想要測定在不同濃度段的不同指示，可以選用多個比較放大部分，即設

11、定多個電壓變化基準，這些變化基準各自有自己的后續(xù)電路，這樣就能在一次檢測中標定在濃度方面的更加精確地范圍，在不同的濃度范圍做不同的信號指示，使得應用更加廣泛。 4 本科生課程設計（論文） 第三章 電路設計 3.1氣敏傳感器的選型和電路設計 通過對實驗要求的分析，選用酒精氣體傳感器TGS822可基本滿足設計要求。 TGS822內(nèi)部電路圖： 此傳感器需要施加2 個電壓：加熱器電壓（VH）和回路電壓（VC）。這個VH用于維持敏感素子處于與對象氣體相適應的特定溫度而施加在集成的加熱器上。VC 則是用于測定與傳感器聯(lián)的負載電阻（RL）上的兩端電壓（VRL）。這種傳感器具有極性，所以VC 需用直流電源。只

12、要能滿足傳感器的電性要求，VC 和VH 可以共用同一個電源電路。為了將判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS）低于15mW 的限度值，需要選擇RL的值。 將兩對相反極性TGS822接成全橋測量電路，這樣可以消除非線性無差，減小干擾。提高靈敏度，使靈敏度為普通傳感器的4倍?？梢愿訙蚀_的得到傳感輸出信號。傳感器TGS822檢測到得酒精濃度范圍是50-5000ppm，而對應的轉(zhuǎn)化為電壓為40uV-2000uV，而我們設定的酒精超標范圍是大于等于1200ppm，這樣同樣的電壓將為660uV，這樣在選擇基準的時候就設定這個值作為基準電壓。 5 本科生課程設計（論文） 3.2運算放大器的設計和分析

13、信號放大部分本設計選用運算放大器LM324，由運算放大器LM324組成雙運放高共模抑制比放大電路和單運放進行兩級放大。 LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，可以應用在反向交流放大器中、同向交流放大器中、交流信號三分配放大器和比較器等各種電路中。，LM324可以工作在低到3.0V或者高到32V的電源下正常工作，共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的復雜性、輸出電壓范圍也包含負電源電壓。 電路分析： 第一級 輸出電壓： R4R6R699U1?u?u? u) （3-1） RR i1 R i2 1? 99 ( u i1 i 2

14、 135 此電路能夠抑制共模信號，對傳感器輸出的信號進行放大K1?100。 由于傳感器輸出信號太小需要進行多級放大。 第二級 輸出電壓： Uo1? R9Uo1?20Uo1R8(3-2) 由多級放大電路輸出的基準電壓為：U=4000 660uV=1.32V 6 本科生課程設計（論文） 3.3 濾波電路的設計和分析 本實驗選用由LM324組成的無限增益多路反饋型電路，濾波電路的作用：濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器。其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。本設計選用的是無限增益多路反饋

15、型二階低通濾波電路。引入多路反饋，構(gòu)成反相輸入的二階低通濾波電路，這樣能提高濾波電路的性能。 在阻抗選取方面： R1?R2?3.09k?，R3?4.12k?，C1?C2?1?F 由此可以計算出 W0?1 R2R3C1C2?280.3rad/s (3-3) 所以其固有頻率為 f0?W0?44.6HZ (3-4) 2? 3.4比較選擇電路 比較電路選：用由LM393比較器，由放大電路得來的酒精濃度超標臨界值1.32V作為比較基準，由反向端輸入，把實測的信號從同相端輸入，如果大于1.32V則輸出高電平，反之輸出低電平。 7 本科生課程設計（論文） 電路分析： R3?10K 1 .32V,當比較器同相

16、端輸入 大于1.32V時輸出高電平，小于1.32V時輸出低電平。 3.5 顯示電路 本設計顯示電路有D觸發(fā)器，LED燈和電阻串聯(lián)組成。選定電阻參數(shù)時只是為了限制LED的陰陽極間的電壓不會越變過大為可，所以選擇上都選擇了方便買到的220的電阻，主要是完成對電壓的限制，這樣這個阻值完全可以勝任。由于檢測到的信號是連續(xù)的一系列脈動信號，大小檢測值在時刻的波動，人眼不能及時把握最大值，所以我們應用數(shù)字電子技術(shù)基礎里面講到的鎖存器保留被檢測到的有用信號，用或非門SR鎖存器構(gòu)成D觸發(fā)器用來延長LED響應時間。 顯示原理：當由比較器輸出的信號為高電平時，LED燈被點亮，表示被測氣體酒精濃度超過標準大氣酒精濃

17、度（飲酒）。當由比較器輸出的信號為低電平時，LED燈不會被點亮，表示被測氣體為為標準大氣酒精濃度（未飲酒）。 8 本科生課程設計（論文） 第四章 電路仿真 4.1 傳感器模擬仿真信號 用正弦?guī)Ц哳l干擾信號模擬為傳感器輸出信號進行仿真。 測量信號：VP?P?0.8mV, f=10HZ 干擾信號：Vp?p?0.1mV, f=1000HZ 4.2 運算電路仿真結(jié)果 將模擬傳感器輸出信號進行一級放大（黃線），K1=100，Vo=0.08V。 第二級放大（紅線），K2=200，Vo=1.6V。 9 本科生課程設計（論文） 4.3 濾波電路仿真結(jié)果 將運放輸出波形接到濾波電路進行電路仿真。 仿真結(jié)果： 因

18、為模擬輸入信號為低頻f=10HZ，輸出波形與模擬輸入的正弦信號相符，經(jīng)此濾波器能夠消除高頻干擾和噪聲，達到濾波目的。 4.4 電壓比較器電路仿真結(jié)果 10 本科生課程設計（論文） 第五章 設計與總結(jié) 本次設計嚴格遵照任務書的要求，僅采用傳感器和控制電路來實現(xiàn)酒精氣體濃度的通道設計。通過對日前現(xiàn)有技術(shù)的了解，經(jīng)過研究和總結(jié)歸納。從經(jīng)濟，開發(fā)前景和創(chuàng)新等多個角度出發(fā)，明確了設計方向。 該酒精弄濃度檢測通道用先進的高靈敏度酒精傳感器組成經(jīng)典的全橋電路組成傳感器采集模塊。在對傳感信號進行放大，濾波。再經(jīng)電壓比較模塊，通過與計算得到的基準電壓進行比較，得到比較信號驅(qū)動顯示電路，得到測量結(jié)果。設計后通過仿真軟件Multisim進行仿真，得到各個模塊的波形，通過分析對電路經(jīng)行調(diào)試和改進，完成設計。 設計的酒精濃度檢測通道能夠完成對限制酒精濃度比較的測量，實現(xiàn)在交通中判定駕駛者是否飲酒，更好的維持交通秩序。本設計不能對酒精氣體的數(shù)值進行測量，限定值一但設定就不能改變的弊端。因為標準大氣酒精濃度因為地域的不同存在著波動但不會太大，預先設定的限定值合理，可以達到設計目的。 11 本