傳感器課程設(shè)計(jì)-酒精檢測(cè)報(bào)警

PAGEPAGE9一、課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)傳感器課程設(shè)計(jì)是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)的一門獨(dú)立實(shí)踐課程，也是電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)的選修課程。本課程以各類傳感器的性能測(cè)試、實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)為線索，完成磁敏傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、應(yīng)變傳感器、電感傳感器、電容傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、智能傳感器等基本型、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)內(nèi)容，通過(guò)課內(nèi)和課外相結(jié)合，自主申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)室開放課題相結(jié)合，使學(xué)生掌握不同種類傳感器的使用方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基本技能，加深學(xué)生對(duì)“傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)”理論知識(shí)的理解，為從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。二、課程設(shè)計(jì)的目的與任務(wù)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)酒精報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，要求學(xué)會(huì)：（1）傳感器、電阻、電容、555定時(shí)器來(lái)設(shè)計(jì)有害氣體報(bào)警電路；（2）掌握有害氣體報(bào)警電路的工作原理及測(cè)試方法。2、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)酒精的檢測(cè)電路，能檢測(cè)到室內(nèi)或相應(yīng)環(huán)境的酒精濃度超標(biāo)現(xiàn)象，并進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。三、課程設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)要求本課題主要完成以下幾個(gè)部分的設(shè)計(jì)：①信號(hào)采集及處理電路：由氣敏傳感器及附屬電路組成。傳感器將空氣中的酒精濃度變化轉(zhuǎn)換為其本身阻值的變化，從而利于后面的電路處理。③聲光報(bào)警電路：在酒精濃度超標(biāo)時(shí)，電路產(chǎn)生相應(yīng)的紅色警告信號(hào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生音頻信號(hào)，提醒人們空氣中的酒精濃度已超出允許范圍，應(yīng)及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)；在空氣潔凈時(shí)，電路應(yīng)以不同的燈光提示，表明安全。四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1）基本原理1、基本框圖圖1基本框圖2、工作原理（1）直流電源由4節(jié)1.5V干電池供電（2）信號(hào)采集及處理電路信號(hào)采集電路包括氣體檢測(cè)電路及對(duì)傳感器輸出信號(hào)的處理電路。氣體檢測(cè)電路需要用氣體傳感器，將被檢測(cè)對(duì)象中含的氣體的濃度變?yōu)閭鞲衅鞯碾娦盘?hào)輸出，以利于后面的信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。A、氣敏傳感器按構(gòu)成氣敏元件的材料劃分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體氣敏元件兩大類，而半導(dǎo)體型又分為電阻型和非電阻型兩類。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制作而成，利用其阻值的變化來(lái)檢測(cè)氣體的濃度。非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件是根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些有關(guān)特性變化對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接檢測(cè)。B、電阻型半導(dǎo)體氣敏元件的工作原理：電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體（主要是金屬氧化物）表面接觸時(shí)的電導(dǎo)率等物性的變化來(lái)檢測(cè)氣體。電阻型半導(dǎo)體氣敏器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)氣體接觸器件表面而被吸附時(shí)，吸附分子首先在表面自由地?cái)U(kuò)散（物理吸附），失去其運(yùn)動(dòng)能量，其間的一部分分子蒸發(fā)，殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定吸附處（化學(xué)吸附）。這時(shí)，如果器件的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子從器件奪取電子而變成負(fù)離子吸附。具有負(fù)離子吸附傾向的氣體有O2和NO2，稱為氧化性氣體或電子接收性氣體。如果器件的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放電子，而成為正離子吸附。具有這種正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖途祁惖龋Q為還原性氣體或電子供給氣體。當(dāng)氧化性氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原性氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使載流子減少，而使電阻增大；相反當(dāng)還原性氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化性氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使載流子增多，使電阻下降?？諝庵械难醭煞执篌w上是恒定的，因而氧氣的吸附也是恒定的，氣敏器件的阻值大致保持不變。如果被測(cè)氣體流入這氣氛中，器件表面將產(chǎn)生吸附作用，器件的阻值將隨氣體濃度而變化，從濃度與阻值的變化關(guān)系，即可得知被測(cè)氣體的濃度。主要物理特性類型氣敏元件檢測(cè)氣體電阻型電阻表面控制型SnO2、ZnO等的燒結(jié)體、薄膜、厚膜可燃性氣體體控制型La1-xSrCoO3、T-Fe2O3、氧化鈦酒精、可燃性氣體、氧氣非電阻型二極管整流特性表面控制型鉑-硫化鎘、鉑-氧化鈦（金屬-半導(dǎo)體結(jié)型二極管）氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵、鈀柵M0S場(chǎng)效應(yīng)管氫氣、硫化氫表1氣敏傳感器的類型C、MQ-3氣敏傳感器特性氣體：酒精（乙醇）探測(cè)范圍：10～1000ppm酒精特征氣體：125ppm酒精靈敏度：Rinair/Rintypicalgas≥5敏感體電阻：1～20KΩinair空氣中響應(yīng)時(shí)間：≤10s（70%Response）恢復(fù)時(shí)間：≤30s（70%Response）加熱電阻：31Ω±3Ω加熱電流：≤180mA加熱電壓：5.0V±0.2V加熱功率：≤900mW測(cè)量電壓：≤24V工作條件：環(huán)境溫度：-20℃～+55℃濕度：≤95%RH環(huán)境含氧量：21%貯存條件：溫度:-20℃～+70℃濕度:≤70%RH（3）觸發(fā)電路觸發(fā)電路作用就是用555組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，由其輸入狀態(tài)改變輸出狀態(tài)，觸發(fā)后續(xù)的執(zhí)行電路。555時(shí)基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙地結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。它設(shè)計(jì)新穎，構(gòu)思巧妙，因其內(nèi)部含有電壓比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電電路及驅(qū)動(dòng)電路等，輔以適當(dāng)外圍分立元件后，被廣泛應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)電路、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器、幅度鑒別器、波形發(fā)生器、延時(shí)發(fā)生器、定時(shí)器及電壓-頻率變換電路等，用途十分廣泛。圖2555管腳圖圖3555內(nèi)部原理圖④腳⑥腳②腳③腳⑦腳0XX0導(dǎo)通（0）1110導(dǎo)通（0）1001截止（1）101原態(tài)原態(tài)110不定（禁止）不定（禁止）表2555芯片邏輯功能表B、555觸發(fā)電路圖圖4555觸發(fā)電路圖當(dāng)空氣潔凈時(shí)，因氣敏傳感器電阻大，R3和R4分壓小，555輸入為低電平，即V2和V6都為低電平，由功能表可知：V3為高電平，即NE555置位，D2(LED，紅）不工作；此時(shí)D1（LED，綠）通過(guò)電阻R4導(dǎo)通而發(fā)光。當(dāng)空氣中存在有害氣體時(shí)，因氣敏傳感器電阻變?。s為466）而使R3和R4分壓值增大，555輸入高電平，故V2和V6同時(shí)為高電平，且復(fù)位端電壓V4也為高電平，由功能表可知：V3為低電平（V3相當(dāng)接近0V）,D2（LED，紅）導(dǎo)通發(fā)光。（4）聲光報(bào)警電路該報(bào)警電路由發(fā)光二極管（紅）、揚(yáng)聲器及其附屬電路組成圖5聲光報(bào)警電路當(dāng)555輸出低電平時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出亮光。NPN型三極管正向偏置進(jìn)行放大，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音報(bào)警。當(dāng)555輸出高電平時(shí)發(fā)光二極管正向電壓低于負(fù)向電壓，截至，三極管反向偏置無(wú)放大作用，揚(yáng)聲器不發(fā)出聲音。（5）溫度補(bǔ)償電路當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，則負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻Rt的阻值增大，使相應(yīng)的輸出電壓得到補(bǔ)償。圖6溫度補(bǔ)償電路3、整機(jī)電路圖圖7整機(jī)電路圖五、課程設(shè)計(jì)總結(jié)為期一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，收獲頗多。課程設(shè)計(jì)是鍛煉人自學(xué)能力、提高動(dòng)手能力的重要環(huán)節(jié)、在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)之前老師把題目提前布置下來(lái)，讓我們熟悉一下題目，發(fā)下題目后大體看了一下都需要用protel進(jìn)行繪制電路圖而在此之前卻沒有接觸過(guò)protel這款軟件，也就是說(shuō)要自學(xué)，在這短短的幾天之內(nèi)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。仔細(xì)的看過(guò)題目之后最終選擇了酒精報(bào)警裝置，確定題目后就要開始著手進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于不是很了解就需要查找很多資料，查找資料是一個(gè)非常麻煩的事情，通常要基本書一起找，在查找資料的過(guò)程中提高了我查找、整合資料的能力。在找好資料后就要開始進(jìn)行設(shè)計(jì)確定傳感器的型號(hào)、參數(shù)及整個(gè)電路用到的各個(gè)元件，然后就要在protel中畫原理圖，由于之前沒有學(xué)過(guò)protel相當(dāng)于邊學(xué)邊畫，經(jīng)過(guò)這幾天的努力掌握了protel的基本功能，學(xué)會(huì)了畫原理圖如何生成網(wǎng)絡(luò)報(bào)表、元件清單以及電路圖的電氣測(cè)試?？傊@次的課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺，增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力學(xué)到了課堂上學(xué)不到的東西，是自己各方面的能力都有所提升。六、參考文獻(xiàn)1.程德福，王君，凌振寶，