酒精气体报警器的设计.docx
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酒精气体报警器的设计
大庆师范学院
数字电子技术课程设计报告
设计课题:
酒精气体报警器的设计
姓名:
宋志超王经龙王博
学院:
物电学院
专业:
电子信息工程
班级:
08级
（1）班
学号:
200801071461
日期
2011年03月07日—2011年05月07日
指导教师:
齐凤河
目录
1．引言…………………………………………………………………1
2．系统整体框架……………………………………………………………………1
2.1检测模块…………………………………………………………………………1
2.2气敏传感器选择…………………………………………………………………1
2.3稳压电路的选择…………………………………………………………………2
2.4声音报警模块……………………………………………………………………2
3.系统硬件设计…………………………………………………2
3.1电源模块……………………………………………………………2
3.2三端稳压集成电路7805………………………………………………………2
3.37805应用电路……………………………………………………2
3.4气敏传感器的电路…………………………………………………3
3.5功率放大器集成电路LM386…………………………………………………3
3.6LM386的典型应用电路………………………………………………………4
3.7报警模块………………………………………………………………………5
4.整体电路设计……………………………………………………………5
5.经验体会…………………………………………………………………………5
参考文献……………………………………………………………………………6
附录一：
报警器的原理图……………………………………………………………6
附录二：
元器件清单…………………………………………………………………8
酒精气体报警器的设计
1.引言
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，设计了一个实时性高、性能稳定、经济实用的酒精浓度检测报警器。
2.系统整体框架
2.1检测模块
数字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：
方案1：
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）。
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。
方案2：
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。
2.2气敏传感器选择
方案1：
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。
方案2：
旁热式MnO₂半导体气敏传感器
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，因此限制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。
2.3稳压电路的选择
方案1：
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。
方案2：
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声音报警模块
方案1：
蜂鸣器发音报警
蜂鸣器是一种给它接上一定电压后发出“嘀……嘀……嘀……”响声的发音设备。
其耗电低，发音效果好，容易引起人们注意，不过其功能小，应用领域不大
方案2：
扬声器报警
用扬声器发出设计时实现录制好的声音，提醒驾驶员切勿酒后驾驶。
虽然很贴近实际，可以让人不必再用“解码”就可以知道，但是其声音响度不够。
方案三：
蜂鸣器和扬声器同时用
当检测到有害气体浓度超标的时候，先发出一段“嘀……嘀……嘀……”引起人们注意之后再通过扬声器警告驾驶员。
经过考虑，单用蜂鸣器和单用扬声器都不能很好的解决问题，不能打到一个很好的报警效果，我们结合两者的优点，同时使用，电路结构复杂成都并没有加大，固我们选择用第三方案。
3.系统硬件设计
3.1电源模块
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。
在无备用蓄电池的场合使用时，也可配上8节1.5V的7号电池。
3.2三端稳压集成电路7805
顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，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。
用78系列三端稳压IC来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。
而且三端固定集成稳压电路的使用方便，所以电子制作中经常采用。
在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：
并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。
另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。
在78系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。
3.37805应用电路
7805集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。
IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。
当输出电流较大时，7805应配上散热板
图17805的应用电路
3.4气敏传感器的电路
传感器电路如图2所示
图2传感器电路
H到H为加热电阻，为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻（指加热器的电阻值）称为加热电阻，气敏元件一般工作在200℃以上高温。
气敏元件正常工作所需的加热电路功率一般在（0.5～2.0）W范围。
因此，如果在系统采用单电源工作时，会产生很大压降，必须采用多电源工作，才能使气敏传感器工作在正常的电压下。
A到A为气敏元件的电阻值（在常温下洁净空气中的电阻值），一般其电阻值在（103～105）Ω范围。
RL为分压电阻，当空气中气体浓度发生变化时，气敏元件的电阻值将会改变，从而,Vout的电压值也将会改变。
3.5功率放大器集成电路（LM386）
由LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，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3、图4所示：
图3内部电路图
图4引脚功能图
3.6LM386的典型应用电路
图5LM386的应用电路
3.7报警模块
音频板块是由音频电路和蜂鸣器、喇叭（8欧，0.5瓦）构成。
音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。
SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。
可以工作在2.4~6V范围内，最大输出功率可达700mW。
蜂鸣器的作用是提醒用户，而喇叭能放出人的语音提示，使本设计更人性化。
该电路将通过发光二极管（LED）闪亮来实现光报警。
4.整体电路设计
电路主要是由三端稳压块IC4（W7805）、大功率开关电路IC1（TWH8778A）、语音电路IC2（TM801）、功放电路IC3（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。
电路图如附录一所示。
如图附录一所示，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IC4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IC1，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IC1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IC1控制极上的电压为1.6V以上时，IC1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IC2提供供电；另一路加到功放电路IC3上。
这两路供电使报警电路工作。
IC2产生的语音信号经电容C4耦合，加到IC3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。
IC1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。
5．经验体会
本设计研究了一种以气敏传感器为核心的酒精浓度检测报警器，其能快速、精确得对驾驶员呼出气体进行酒精浓度检测，当浓度超过预设值时，实现光电与声音的报警，并强制将发动机熄火。
开发与调试的过程中，我们遵循由易到难，由简到繁，循序渐进的过程。
我们将具体过程分为以下五个步骤进行：
（1）理论准备，重点是各元件应用环境的熟悉。
（2）将系统划分为传感器，稳压电路，功率放大器集成电路三大模块。
（3）初步设计制作实现上述各模块的功能。
（4）组装系统，测试系统的整机性能。
（5）系统调试。
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
附录一:
报警器的原理图
附录二:
配件清单
类型
标识符
元件封装
元件名称
数量
值
电容
C1
RAD-0.3
Cap
1
2000uF
电容
C2
RAD-0.3
Cap
1
220uF
电容
C3
C1206
CapSemi
1
220uF
电容
C4
C1206
CapSemi
1
220uF
电容
C5
C1206
CapSemi
1
220uF
发光二极管
D1
LED-1
LED1
1
发光二极管
D2
3.5X2.8X1.9
LED3
1
高电导快速二极管
D3
DO-35
Diode1N914
1
语音电路
J*
DPDT-6
TM801
1
气敏传感器
K1
QM-NJ9
QM-NJ9
1
扬声器
LS1
PIN2
Speaker
1
Header,2-Pin,RightAngle
P1
HDR1X2H
Header2H
1
Header,2-Pin,RightAngle
P2
HDR1X2H
Header2H
1
Header,2-Pin,RightAngle
P3
HDR1X2H
Header2H
1
电阻器
R1
AXIAL-0.4
Res2
1
1.5K
电阻器
R2
AXIAL-0.4
Res2
1
300
电阻器
R3
AXIAL-0.4
Res2
1
1K
电阻器
R4
AXIAL-0.4
Res2
1
240K
电阻器
R5
AXIAL-0.4
Res2
1
3K
SquareTrimmingPotentiometer
RP1
TO-262-AA
RPotSM
1
大功率开关
U1
TO-220-AB
TWH8778
1
功放集成芯片
U2
LM386
1
电压调节器
VR1
E3
VoltReg
1
升级会员 