酒后驾车测试仪的设计.docx
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酒后驾车测试仪的设计
酒后驾车测试仪的设计
电子信息工程级班指导老师：
摘要：
越来越多的人有了自己的私家车，酒后驾车是导致交通事故的一个主要因素。
本文在查看分析了几种不同的酒精检测原理图后，经过改进、推敲，也设计出了自己的实时性高、性能稳定、经济实用的酒精检测报警器。
该系统由气敏检测电路，控制开关，语音报警电路，放大器等组成，并分别对其进行方案分析，最终确定酒后驾车测试仪的系统构架和设计方案。
试验结果显示，该系统克服了一般系统对香烟和汽油味的误报，性能稳定，其主要技术指标也达到了系统设计要求。
关键词：
酒精气味；QM-NJ9；报警
目录
摘要……………………………………………………1
1概述…………………………………………………3
2酒后驾车测试仪硬件电路的设计………………4
2.1酒精检测电路…………………………………5
2.2控制开关电路…………………………………7
2.3功率放大电路…………………………………8
2.4外围报警电路…………………………………9
2.5总电路图及调试………………………………10
3总结与展望……………………………………….12
参考资料………………………………………………13
附录一…………………………….………………….14
附录二…………………………………………….….15
1.概述
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，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，从而导致交通事故的不断发生。
司机的过量饮酒会造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。
少量饮酒并不会有上述症状，即人体内酒精浓度比较低时，而人体内酒精超过某一个值时就会引起危险。
为此，需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。
目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命。
酒后驾车测试仪的关键部分是气体传感器和警报装置。
驾驶员对着传感器呼出一口气，当对酒精敏感的气体传感器遇到酒精气体时，内阻变小，电路中报警器两端电压的变大，发出警报，从而达到检测酒后驾驶的目的。
本系统采用QM-NJ9型酒精传感器，以扬声器和LED灯作为报警显示装置，系统轻巧，简便易懂，可安装成便携式供交通人员用于交通现场检测。
系统硬件原理图如下：
控制开关
蜂鸣器
扬声器
酒精传感器
→
LED灯
→→
→
图1-1系统框图
酒精检测仪主要是用来检测气体中是否有酒精，它主要由酒精传感器、控制开关、蜂鸣器、LCD灯、键盘以及扬声器构成。
酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号引起控制开关的导通，蜂鸣器发出报警声，经扬声器把微弱的警示声音放大，同时驱动LED灯闪光报警。
它的各部分电路的说明如下：
（1）感应模块，主要部分是酒精传感器，它是整个电路的最重要的部分，将人们呼出气体中是否含有酒精转换成了报警电路能够识别的电信号。
（2）信号处理模块，主要部分是蜂鸣器和放大器。
气敏传感器QM-NJ9感应到酒精后阻值变化比较小，所以电路中电信号很小，报警电路还识别不出来，所以采用放大器LM386N对气敏传感器产生的电信号进行放大处理，然后将信号送到扬声器中。
（3）外围报警模块，主要是由扬声器和LED灯组成的，气敏传感器产生的电信号经放大后传到扬声器，扬声器开始工作发出警报，同时LED灯也闪亮报警。
2酒后驾车测试仪硬件电路的设计
系统由四大部分组成：
（1）电源和酒精感应电路；
（2）控制开关电路
（2）功率放大电路；（3）外围报警电路。
感应电路由气敏传感器QM-NJ9构成。
气敏传感器QM-NJ9是一个MnO₂半导体气敏传感器。
它具有检测性能稳定的优点。
控制开关电路主要是高速集成电子开关TWH8778，功率放大电路由功率放大器LM386构成。
外围报警电路由扬声器和LED灯构成。
2.1酒精检测电路
酒精检测电路部分电路图如下图
图2-1酒精检测部分电路图
它是整个测试仪的重要部分，它包括电源，三端稳压器7805,和QM-NJ9型酒精传感器，只有准确可靠的检测气体才能让检测器准确正常的工作。
所以整个仪器的重中之重是酒精传感器。
因此酒精传感器的正确选择是十分重要的，选对了酒精传感器，就成功了一半。
虽然市面上有很多酒精传感器，如TGS系列，MQK2型酒精气体传感器。
但是本次试验仍然选用了将近过时的旁热式MnO₂半导体气敏传感器QM-NJ9。
原因是市面上大部分都是使用SnO2气敏元件制成的酒精检测器，如上面提到的两个常用系列。
但是SnO2气敏元件不仅对酒精味敏感，对汽油味、香烟味同样敏感。
车里不可能没有汽油分子飘散，不吸烟的司机也将近绝迹了，如果贪图简便随便拿一个酒精传感器就用，如果是SnO2制成的，极易造成检测失误，这是选择QM-NJ9的原因之一。
MnO₂半导体气敏传感器分直热式和旁热式，QM-NJ9属于旁热式一类。
直热式虽然制作工艺简单、成本低、功耗小，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；工作时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。
而旁热式测量极与加热丝分开，而且元件热容量大，刚好避免了这个缺点，不过价格稍微昂贵了点。
但是为了性能稳定，成本高点还是可以接受的。
电路中总电源为12V，A,B之间QM-NJ9，上接三短稳压器7805保证传感器的加热电压稳定在5V左右，误差不会超过0.2V。
刚开始时左边二极管亮着表示工作正常，当酒精气敏元件接触到酒精味后，内阻变小，B点电压升高，且升高到1.6V时，自动控制开关TWH8778就会导通。
图2-2三端稳压集成7805的外观图
三短稳压器7805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，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。
2.2控制开关电路
控制开关电路部分主要是高速集成电子开关TWH8778。
它外形简单，外围电路简单，内部同样包含过热，过压保护电路。
其内部具有过压、过流、过热保护功能，可以适合大电流的驱动开关领域应用。
在一些定时器、报警器等实用电路中广泛使用。
图2-3高速集成电子开关TWH8778的外观图
TWH8778总共5个引脚，引脚排列从左向右分别是：
1脚输入端；2，3脚输出端；4脚接地；5脚是控制极，其中4，5脚之间的电阻约为40k欧姆。
当在5脚与4脚之间加1.6伏特以上电压，1脚与2，3脚之间即可导通。
2，3脚内部已并联。
当B点电压升高，且升高到1.6V时，4，5脚刚好达到1.6V；1,2脚接通，电路左半部分与右半部分就接通了，实现了控制开关的作用。
图2-3控制开关部分电路图
2.3功率放大电路
功率放大部分主要元件是用的是TW801和功率放大器LM386集成电路。
TW801主要用于发声，当电路左半部分与右半部分接通时，TW801会连续不断地输出报警声，但是很小，不足以引起扬声器的反应，这就要用到功率放大器LM386了。
功率放大部分电路如下图所示：
图2-4信号处理部分电路图
LM386是美国国家半导体公司生产一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的音频功率放大器，广泛应用于低电压消费类产品。
LM386引脚排列如图2-4所示，引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端。
为使外围元件最少，电压增益内置为20，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。
图2-4LM386音频功率放大器管脚图
2.4外围报警电路
外围报警电路主要是由扬声器和LED灯组成。
电路图如下：
图2-5外围报警电路部分图
外围报警部分总电路图里面是最简单的一部分了，它由扬声器和两个LED灯构成。
扬声器内阻为8欧，消耗功率为1瓦，耗能少，可以装在以干电池为电源的电路中，便于携带。
在扬声器得到电压工作的同时，LED灯也得到电压闪光报警，实现了声光报警。
2.5总电路图及调试
图中三端稳压器7805将传感器的加热电压稳定在5V左右，保证该传感器工作稳定性和具有高的灵敏度。
当酒精气敏元件QM-NJ9接触到酒精味后，B点电压升高，且升高值随检测到的酒精浓度增大而升高。
当该电压达到1.6V时，使集成电子开关IC2导通，语音报警电路IC3和功率放大电IC4组成语音声光报警器，IC3得电后输出连续报警声，经过C6输入到IC4，放大后由扬声器输出响亮的报警声，并驱动LED闪光报警。
该电路的消耗功率小于0.75W,响应时间小于10s，恢复时间小于60s，适合-200℃～+50℃的环境条件。
测试前应接通电源，预热5～10min，待其工作稳定后测一下A、B之间的电阻，看其在洁净空气中的阻值和含有酒精空气中的阻值差别是否明显，一把要求越大越好。
全部元件装好后，应开机预热3～5敏，然后调节Rp，是报警器处于报警临界状态，再将低于39度的白酒接近探头，此时应发出声光报警，否则应重新调试。
由于本电路消耗功率小于0.75W，消耗极小，响应时间比较短，小于10s，恢复时间小于60s，适合-200℃～+50℃的环境条件，能适应世界大部分地区的温度，因此可制成以干电池为电源的方便易携带的酒精检测仪，用于交通现场检测。
图2-5酒精检测仪总电路图
3总结与展望
本次设计的以气敏传感器为主体的酒后驾车测试仪，能快速、精确的判断驾驶员呼出的气体是否含有酒精，它不会混淆酒精香烟和汽油的气味，回路间不会相互影响，元件热容量大，降低了环境对元件加热温度的影响，系统比较稳定。
扬声器与LED灯消耗功率小，便于携带。
当驾驶员呼出的气体含有酒精时，实现光电与声音的报警。
酒后驾车测试仪为防止机动车辆驾驶人员酒后驾车，现场实时对人体呼气中酒精含量的检测已日益受到重视，做出了巨大的贡献。
本次设计的开发与调试的过程中，主要进行了以下几个方面的工作。
：
（1）准备与酒后驾车测试仪有关的各种资料，了解其中的知识、理论和注意事项。
（2）选用合适的酒精传感器，明确想要达到何种警报效果而选择合适的外围警报设备。
（3）试着画出有效的连接传感器和警报设备的电路图，选用合适的电路总图。
（4）将电路图分块，查找各部分电路元件的详细信息和使用的注意事项，选用电路元件。
（5）检测整体系统设计的可行性，看是否达到刚开始的设计要求。
本文设计的酒后驾车测试仪，电路结构简便易行，性能稳定，携带方便，其主要技术指标达到了系统设计要求。
但是本次设计，虽然可以满足一般，也做了一些探索性的工作，但是还存在很多不完善的地方，仍有许多方面有待进：
（1）本文选用的酒精气敏传感器虽然稳定，但也将近过时，而且价格偏贵，找到的其他酒精传感器都是SnO2气敏元件，不仅对酒精味敏感，对汽油味、香烟味同样敏感，不好用。
（2）本文设计的系统没有显示饮酒量多少的功能，只是能测出司机是否饮酒。
（3）本文设计的系统没有考虑天气、湿度、温度、磕碰等自然因素的影响，精度和持久方面有一定的局限性
（4）本次设计的系统在功能上很单一，如果投入市场，普通人很难引起兴趣。
在朝着多功能、实用方面上，如更加小巧，耐用，加入手电，紫外验钞灯，电子表等功能。
值得进一步深入研究。
参考资料
[1]冯英.传感器电路原理与制作.成都科技大学出版社.1997.
[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]张红润.传感器应用300例.北京航空航天大学出版社.2008
[4]黄继昌.传感器工作原理及应用实例.人民邮电出版社.1998年
附录一
7805电参数
参数
符号
测试条件
最小值
典型值
最大值
单位
输出电压
Vo
Tj=25℃
4.8
5.0
5.2
V
5.0mA<1o<1.0A,Po<15W
Vi=7.5vto20v
4.75
5.00
5.25
V
线性调整率
△Vo
Tj=25℃,Vi=7.5Vto25V
4.0
100
mV
Tj=25℃,Vi=8Vto12V
1.6
50
mV
负载调整率
△Vo
Tj=25℃,lo=5.0mAto1.5A
9
100
mV
Tj=25℃,lo=250mAto750mA
4
50
mV
静态电流
IQ
Tj=25℃
5.0
8
mA
静态电流变化率
△IQ
lo=5mAto1.0A
0.03
0.5
mA
Vi=8Vto25V
0.3
0.8
mA
输出电压温漂
△Vo/△T
lo=5mA
0.8
mV/
℃
输出噪音电压
VN
f=10Hzto100KHz,Ta=25℃
42
μV
纹波抑制比
RR
f=120Hz,Vi=8Vto18V
62
73
dB
输入输出电压差
Vo
lo=1.0A,Tj=25℃
2
V
输出阻抗
Ro
f=1KHz
15
mΩ
短路电流
1SC
Vi=35V,Ta=25℃
230
mA
峰值电流
1PK
Tj=25℃
2.2
A
附录二TWH8778参数
过压保护：
典型值30V最大值40
最小输入电压:
典型值3V
最大输入电压：
30V
控制端最大电压;6V
延迟时间：
典型值8微秒最大值20微秒
控制端开启电压：
1.6-2V
输出限制电流：
最小值：
0.55V典型值：
0.8V
最大值1V
开关压降：
典型值300毫伏最大值500毫伏
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