基于LM3914的酒精传感器的设计.docx

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基于LM3914的酒精传感器的设计

编号：

传感器综合设计

实训论文说明书

题目：

酒精传感器设计

院（系）：

信息与通信学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

学号：

指导教师：

2012年6月22日

摘要

本设计介绍了一种酒精浓度检测仪的设计方法，主要利用MQ-3酒精传感器检测酒精浓度，通过分压式电路将电阻转换为成比例的电压，再利用线性显示驱动器LM3914驱动不同颜色的发光二极管和蜂鸣器提示检测得到的酒精浓度大小，并详细介绍了其调试方法。

关键词：

酒精浓度MQ-3LM3914

Abstract

Thisdesignhasintroducedakindofalcoholconcentrationofdetectordesignmethod,themainuseMQ-3alcoholsensortestalcoholconcentration,throughthepointspressuretypecircuitwillconverttheproportionalresistancevoltage,thenreusethatLM3914drivelineardriverdifferentcolorledsandabuzzerdetectedbytipalcoholsize,andintroducesitsdetailedcommissioningmethod.

KeyWords:

AlcoholconcentrationMQ-3LM3914

引言

从工厂企业到居民家庭，酒精泄露的检测、监控以及对酒后驾车的监测对居民的人身和财产安全都是十分重要且必不可少的。

同时，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。

如今，由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求的提高，再加上气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向的发展，因此，酒精浓度检测仪具有十分广阔的现实市场和潜在的市场要求。

本文设计的基于线性显示驱动器LM3914的酒精浓度检测仪，以LM3914和MQ-3酒精传感器为核心，具有声光报警功能。

根据不同的环境设定不同的阈值，超过阈值即进行声光报警，提示危害。

该仪器硬件电路设计简单、功能完善、工作性能好，此外，还具有低功耗、低成本的特点。

1绪论

1.1设计背景

我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。

我国传感器4大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。

气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。

近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。

目前，气敏传感器领域还存在一些问题。

一是元件的稳定性差。

由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。

二是选择性差。

由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体（如烟酒等），使气敏元件发生交叉响应，产生误报。

三是催化剂中毒。

掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。

灵敏度问题。

四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求。

1.2气敏传感器的研究现状

气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。

用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以SnO2材料为主[3]。

SnO2是一种广普型的气敏材料，围绕SnO2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。

纯SnO2的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。

为改善其气敏特性，常在SnO2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。

尽管SnO2基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。

通过控制气敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善SnO2传感器的气敏性能。

纳米科学技术（Nano—ST）是研究尺寸在0.1—100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新型方法。

纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。

当然，在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟，其性能也有不尽人意的地方。

气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。

吸油烟机等产品上常用MQ-3型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝，管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有SnO2材料，使SnO2烧结体位于两电极之间[6]。

气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时，气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体浓度的变化变化。

当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作。

1.3设计酒精浓度探测仪的意义

本设计基于LM3914设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。

酒后驾车发生事故的机率高达27%。

随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5‰增至1‰，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5‰，可能性再增加6倍。

机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。

人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。

开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。

当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。

酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时，发出警报，提醒人们及时通风换气，做到安全生产。

1.4方案设计

根据自动检测系统的组成结构，该酒精浓度检测仪应该包含酒精气体传感器、信号处理电路和执行指示机构等部分。

对于酒精气体传感器，只要是一般性的还原性气体传感器都能够使用，本设计采用市面上常用的MQ-3型还原性气体传感器作为酒精气体传感器，再通过分压式电路将电阻的变化量转换电压的变换量，然后通过LED发光管的颜色与数量的不同来指示被测酒精气体浓度的不同，当超出设定的某阈值后用蜂鸣器发出声响提示。

具体的信号传递与结构如图1所示。

图1酒精浓度检测仪的方案图

2硬件电路的设计

电路的前端部分MQ3传感器和分压电路按照常规设计即可，执行驱动声光指示的电路需要驱动多个发光管以及一个蜂鸣器，即需要将分压电路得出的电压转换成LED线段显示同时在某点驱动蜂鸣器发声。

因此本设计拟采用LED通用电平显示驱动芯片LM3914作为执行机构。

2.1MQ-3气敏电阻传感器

本设计采用的是表面电阻控制型气敏传感器MQ-3，该气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，最常用的如SnO2。

金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动，电阻较大。

当N型半导体的表面在高温下遇到离解能力较小（易失去电子）的还原性气体时，气体分子中的电子将向气敏电阻表面转移，使气敏电阻中的自由电子浓度增加，电阻率降低，电阻减小。

其应用于家庭、工厂、商业场所的气体泄漏监测装置，防火/安全探测系统。

气体泄漏报警器，气体检漏仪。

特点：

高灵敏度、快速响应恢复、优异的稳定性、长寿命、驱动电路简单、电信号输出强。

如图2所示。

图2MQ-3传感器引脚图（左）及简易检测电路（右）

2.2LED显示

通用电平显示驱动芯片LM3914片内有10个电压比较器，10个1K欧姆精密电阻串联组成的分压器分别向各电压比较器提供比较基准；直线驱动10个发光二极管（LED）组成的10段“线”或“点”式条图显示器；对被测量的变化反映迅速真实；无阻尼现象；抗干扰能力强。

利用10个发光二极管作为输入端电平变化的显示，输入端电平信号可以是通过各类传感器和变换电路而探测的各种物理量，如电压、电流、温度、湿度、亮度、响度、音频、距离、磁场强度、重量等等。

用它做成的电平显示器，既醒目、直观，又方便、实用，并且能反映瞬间变化的信号，用途十分广泛。

例如，在电路设计制作中，它既可以通过探头和处理电路实现温度控制和显示，用于烘箱、冰箱、空调、热塑封机等设备上，也可以通过分压变换电路实现电压高低的直观显示，用于仪器、仪表、音响及办公设备上。

核心电路采用了塑封双列直插的18脚LED点条显示驱动集成电路LM3914，电路构成及管脚功能如图3所示。

LM3914内部含有10个相同的电压比较器，它们的输出端可以分别直接驱动外接的10只发光二极管（VDl—VDl0）作条状显示，也可以实现点状显示。

它们的反相输入端并联在一起，并通过一个缓冲器接到输入端5脚。

而10个同相输入端分别接到由10个精密电阻串联而成的多级分压器上。

而这个分压器的两端在内部没有与其它电路或公共端相连，而是直接由6、4脚引出，通常将之称为悬浮式，这样使得应用电路的设计更加灵活和方便。

图3LM3914电路构成及引脚功能图

下面以一个分辨率为0.125V的10级线性电压表为例说明其工作原理。

这个电压表的最大量程为1.25V，将9、11脚相连，设定为点状显示，这样比较省电。

分压器就用内部基准电压源，6、7脚相连，4、8脚相连并接地，则分压器每个1k电阻上的压降为0.125V，因此最下面的一个比较器1同相输入端的电位为0.125V，比较器2同相输入端电位为0.25V，依此类推，最上面的一个比较器10基准电压设定为1.25V。

当5脚输入电压小于0.125V时，10个LED都不发光，当输入电压大于0.125V但小于0.25V时，比较器1反相输入端电位高于同相输入端，则比较器1输出低电位，使VD1发光；当输入电压大于0.25V但小于0.375V时，则VD2发光；依此类推，当输入1.25V电压时，VDl0发光。

以上是用10个LED作0-1.25V十级显示，每级0.125V；若将6脚外接10V标准电压源，4脚接地。

可以作0-10V十级显示的电压表，若将6脚接10V，4脚接5V电压，

少比3脚电源电压VCC低2V。

2.3电路及工作原理分析

本设计采用5V电源供电，前端是MQ-3型酒精气体浓度传感器，利用电阻分压电路将酒精浓度由电阻量转化为电压量，在通过驱动芯片LM3914按照电压大小驱动输出相应的发光管，当到达一定阈值时蜂鸣器被触发，发出报警声。

调试时通过电位器RP调节测量的灵敏度。

具体的电路原理如图4所示。

图4电路原理图

3功能调试

3.1检查电源回路

在通电之前，用数字万用表的二极管通断档测量电源正负接入点之间的电阻，应该成高阻态。

如果出现短路现象，应立即排查，防止通电烧元件的事故。

同时，目测IC的正负电源是否接反。

当一切正常后方可通电调试。

3.2电压直接调节

本设计主要是通过电阻分压电路测量酒精气体浓度变化的，而LM3914也是根据输入电压的大小决定点亮LED的数量的，因此可以先调试传感器之后的电路时是否正常。

使用稳压电源的一组5V使系统通电后，将可调稳压电源的另一组输出调至0.2V左右，其电源正通过一个1K的电阻接入图中的A点，其电源负与系统电源负短接。

再调节电源从0.2V-5V，观察输出LED和蜂鸣器的变化。

正确的变化应该是，LED1-LED9挨个被点亮，在LED5和LED6被点亮之间蜂鸣器将发出声音，并一直持续。

如果没有一个LED被点亮，可能是LM3914的周边电路没有配合好，或者是电路某点有开路；如果是最终有几个红色LED未被点亮，可能是电位器RP的阻值偏小，调大一些再试；蜂鸣器未发出声响，可能原因是后面的发生电路开路，或者三极管烧坏。

3.3酒精液体校准

按照传感器的使用要求，先通电将传感器预热。

然后使用乙醇液体作为酒精气体的散发源，先使用50%的乙醇水溶液，再根据具体情况调节乙醇含量，最终得到200ppm的酒精调试系统。

3.4电位器调节灵敏度

调试完成，根据具体的需要调节电位器RP，控制系统测试的灵敏度，要注意传感器的电阻参数。

4结束语

本设计利用MQ-3酒精传感器作为检测部分，通过分压式电路得到与电阻成比例的电压，再通过一个线性显示驱动器LM3914驱动不同颜色的发光二极管和蜂鸣器提示检测得到的酒精浓度大小。

电路设计简单实用，成本低廉，调试方便，非常适合作为中小企业的加工产品。

通过这次实训，我学到了很多东西，同时也巩固了传感器这门课程知识，学会了传感器的硬件设计。

通过实训让我感觉到理论和现实的差别。

在过去的二年多的大学学习中，大部分时间是在跟着老师学习，学习过去的一些基本理论一些基本的思想，感觉上好像学习就应是这个样子，就应该是老师让我们干什么我们就干什么，没有自己真正实践过。

第一次接触这样的课程，十分高兴，我深入到实际的工程案例中。

它能充分调动大家的积极性，趣味性强，不仅锻炼能力，而且可以学到很多书本上没有的东西。

我们上网查找相关的资料，并从众多资料中筛选出对自己有用的东西，真正锻炼了我们的能力。

虽然起初感觉有点无从下手，但慢慢就变得得心应手。

在这次的设计中，也得到了同学和老师的帮助。

通过这次学习，使我对本专业有了更深的认识，也大大提高了我的动手能力。

当然，在这次设计中，也得到了同学和联系的帮助，我的设计还存在许多需要提高的地方，有待于在将来设计中进一步改进，在此恳请老师悉心指正。

谢辞

经过两周的实训，让我学到了很多知识，能把学习的理论知识与实践相结合，增强了自己的独立理解能力和动手能力。

为此，我要感谢信息与通信学院为我们安排了这次传感器综合实训，使我对专业知识的认知有了全面性的提高。

在这里，实训期间对学生的耐心指导。

在实训前夕，老师耐心的给我们讲解实训期间安排的各种实训任务和注意事项，还着重和我们强调了本次实训对元器件焊接、元器件插放、电路调试等许多需要注意的问题，使我们在实训期间焊接电路板的时候按照老师所说的实训步骤去做，有顺序的完成实训工作，减少了很多不必要的麻烦。

与此同时还要感谢其他老师让我了解了本次传感器设计的原理，让我们实训前对实训工作有了清晰的认识，清楚的理解理论知识，不是盲目的毫无准备的去做，而是懂得原理带着原理去思考问题的去做这次的实训。

我们沿着老师指导的这条经验之路，不断地尝试摸索，慢慢地也掌握了设计的基本流程和思考的方法。

我们遇到了很多的难题，比如硬件器件的选择，功能的实现等。

然而这样的问题并不是我一个能所能解决的，幸运的是有我们的指导老师的悉心指导和小组搭档的全心帮助，所以一个个看似复杂的问题便迎刃而解。

几位老师及其各位同学给予了我极大的帮助，帮解决了在实训中遇到的许多问题，让我把这次实训工作得以顺利的完成。

在这里，我要感谢几位老师以及同学的耐心指导和帮助，真诚的感谢您们！

参考文献

[1]梁森，王侃夫等.自动检测与转换技术[M].北京：

机械工业出版社2005.

[2]郑州炜盛电子科技有限公司.MQ-3气体传感器的技术参数.

[3]http:

//www.21IC.com.LM3914使用手册.

[4].酒精浓度检测方法

附录

一、硬件设计原理图：

二、PCB封装图：