车载酒精浓度传感器

目 录

第1章 绪论.................................................................................................................. 2

1.1选题的依据及课题的意义............................................................................... 2 第2章 设计内容.......................................................................................................... 3

2.1设计要求........................................................................................................... 3 2.2 总体设计.......................................................................................................... 3

2.2.1传感器部分............................................................................................. 3 2.2.2原理图设计............................................................................................. 5 2.2.3接收装置模块......................................................................................... 6 2.3设计方案选择................................................................................................... 7

2.3.1方案设计................................................................................................. 7 2.4器件的选型....................................................................................................... 8 第3章 电路仿真.......................................................................................................... 9 第4章 可靠性和抗干扰设计.................................................................................... 10 第5章 设计心得和体................................................................................................ 11 参考文献...................................................................................................................... 13

酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真

第1章 绪论

1.1选题的依据及课题的意义

目前，酒后驾驶造成的交通意外是严重的社会问题之一。当酒精在人体血液内达到一定浓度时，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。人对外界的反应能力及控制能力就会下降，处理紧急情况的能力也随之下降。对于酒后驾车者而言，其血液中酒精含量越高，发生撞车的几率越大。而根据世界卫组织的事故调查，大约50%—69%的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。在中国，每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起，其危害触目惊心，已成为交通事故的第一大“杀手”。

为了实现对的尊重，对生命的关爱，使更多人的生命权、健康权及幸福美满的家庭能得到更好的保护，需要设计一智能仪器能够检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财产安全。酒精检测仪的设计与使用有着不可替代的作用，也有着相当的前景和意义。这次的选题是酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真。

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酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真

第2章 设计内容

2.1设计要求

选用酒精浓度传感器进行气体中酒精浓度测量，要求测量范围10-1000PPM、精度为5PPM。

设计传感器的信号调理电路，实现以下要求：

（1）设计信号调理将传感器输出0.2-1.4 V的信号转换为0-5V直流电压信号； （2）对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据； （3）电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容； （4）电路的基本工作原理应有一定说明；

（5）电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性。

2.2 总体设计

2.2.1传感器部分

本次课题重要部分即为酒精含量检测模块，酒精探头选用QM-J3气敏元件，是以复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度增加而迅速升高。其对汽油蒸汽有抗干扰能力、灵敏度高、响应速度好、寿命长、工作稳定可靠等特点。

技术指标： 加热电压（回路电压 (负载电阻(

VH） AC或DC 5±0.2V

VC) 最大DC 24V

）

2000 KΩ

清洁空气中电阻（灵敏度（分辨率（

RL) 4KΩ(或可调)

RaSRa/RdgCHOH蒸汽中）

） 5（在100ppm25） 3（在100ppm汽油蒸汽中）

DRig/Rdg恢复时间 (tres) 30S 元件功耗 0.7W 监测范围 50—5000ppm 使用寿命 2年

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酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真

输出电压 0-5V 使用方法和注意事项：

元件开始通电工作时，没有接触检测气体，其电导率也急剧增加，约1分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计中电路时可采用延时处理解决。基本酒精测试电路如图2-1所示：

VC为电源电压，VH为给酒精探头加热电压。

(2) 加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。

C2H5OH10秒钟以内负载电阻两端的电压可达到VVaCHOH30秒钟以内负载（dg）差值的80%（即响应时间）；脱离标定气体]100ppm25(3) 元件在接触标定气体100ppm电阻两端的电压下降到（

VdgVa）差值的80%（即恢复时间）。

(4) 负载电阻可根据需要适当改动，不影响元件灵敏度。

(5) 使用条件：温度－15～35℃；相对湿度45～75%RH;大气压力80～106KPa。 (6) 环境适度的变化会给元件电阻带来小的影响，当元件在精密仪器上使用时，应进行温度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。

(7) 避免腐蚀性气体及油污染，长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。 (8) 元件六脚位置可与电子管七脚管座匹配使用。 符号说明： 检测器体中电阻－干扰气体中电阻－

RdgRig 检测气体中电压－

VdgVig

干扰气体中电压－

Rdg

与

Vdg的关系如式2-1：

RdgRL(VC/Vdg1)

（2-1）

Rig与

Vig的关系如式2-2：

RigRL(VC/Vig1)

（2-2）

图2-1 基本酒精测试电路

酒精含量测试电路图设计要求是将气体中的酒精含量转化成测试电压

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Vdg。参考电压

VS 酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真

是酒精含量超标与不超标的门限。若dg＞S，说明酒精含量超标，反之不超标。

表2-1 酒精浓度和输出电压关系图 浓度/ppm 0 100 500 电压/V 0 2.503 4.714 浓度/ppm 1000 1500 电压/V 6.842 8.752 VV 下图2-2为MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线

图2-2 MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线

2.2.2原理图设计

MQ-3可通过将电阻变化转换为电压变化。并通过电压比较器LM393与事先测定的标准电压比较，为单片机提供高低电平作为信号。

电压比较器如图2-3，传感器输出的电压与所设定的参考电压（滑动电阻器Rp）比较，若超出参考电压则电压比较器输出信号该仪器开始工作。

图2-3 电压比较器

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2.2.3接收装置模块

本装置采用的是J04H接收模块。作如下说明：

性能说明：J04H采用独特的电路结构，SMT工艺树脂封装，内含放大整形，输出为数据信号直接解码器，使用极为方便，是一种性价比较好的超再生的模块。J04H无信号时输出为零电平状态（无噪声干扰）可适合于单片机输入端接口，J04H采用条状镀金电感及优化电路，无需外接天线，接受灵敏度高采用一定的硬度的镀金电感调整接受频点比采用微调电容调频率的接收电路性能稳定，即使强烈的震动也不用担心频点偏高，J04H具有较宽的接受带宽，出厂时以调在433M，与F04配套基本免调试，只要电源馈电及引线没有太大的分布参数即可处于正常地接受状态，镀金电感约有±5M可调范围，安装时保持原状不要轻易的变动以免频点偏高，J04H具有极低功耗，3V时只消耗0.2mA电流，可长期处于守机状态。 新版J04H可外接天线提高接受灵敏度。

使用说明：J04H最低工作电压为2.6V，灵敏度下降，收发距离变近。J04H接通电源用示波器AC50mV/1mS档在3脚应能看到一条约50 mV<最大杂波为100mV>的噪声带，噪声带应在1.5V，即1/2VDD处，J04H处于正常接收状态。接通发射电源，收发开2米，应能看到码信号，如果3脚无噪声带应检查电压及电流是否正常，过长的临时接线会引入分布参数使LC震荡停振，如图3-8。如果噪声带正常而收不到码信号，可将收发靠近，若仍无信号应仔细检查F04输入端码脉冲是否正常，发射电流是否正常，如果信号及发射电流正常，可将F04输入端电阻增大至47K，调整天线长度，同时观察J04H测试端应出现编码脉冲，F04输入电阻小于10K易引起过调制，甚至停振。如果信号正常不解码，应仔细检查编解码地址码是否一致，码脉冲中间是否有干扰及宽窄脉冲比是否正确，震荡电阻是否正确。解码正常后，收发离开几十米，用示波器观察J04H第3脚信号，调整J04H顶部条状镀金电感（与印板间距）即可调整接受频率使信号最大，即可获得最大收发距离（注意调整量不宜大于1mm）。

电路设计分析：接收电路如图2-4，1端接电源、2端信息输出，与单片机的P3.1口相连、4端接地。接收到的信息直接传到单片机接收串行口。

图2-4 接收装置原理图

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2.3设计方案选择

2.3.1方案设计

对酒后驾车控制，存在的可设计方案很多，并且能实现其他附加功能。但鉴于成本、可靠性、实用性等因素考虑，提出几种方案。

方案一：智能监控器。驾驶员一旦饮酒，其呼出的乙醇气体被捕捉到，监控器立即作出反应，其功能有:显示被测对象的乙醇浓度；振荡式声、光报警；累计记录驾驶员酒后开车的次数；

由控制开关强行切断汽车点火装置的驱动电源。

图2-5 方案一设计图

方案二：汽车智能控制。此设计是对驾驶员驾车进行全面控制。酒后驾车是其中一部分。此设计将驾驶员和交管部门构成一个系统。交管部门纪录驾驶员详细资料；之后将驾驶证转变为与IC卡类似的电子驾照。卡内存有驾驶员的姓名、身份证号码、允许驾驶的车辆类型、每年考核的情况、违章纪录等内容；最后在汽车上安装无线通讯设备。汽车将和交通部门设置的管理系统形成一个无线网络。驾驶员开车时，先要插入正确的电子驾照，卡内的信息通过无线网络传到交通部门的管理系统。交通部门将检查其信息是否正确、有没有违章行为、酒后驾车的次数是否超过一定数目，如这些信息都达到安全行车的标准才能启动。行驶时，安装在汽车上的检测空气中酒精含量系统会自动启动，开始检测。若发现驾驶员是酒后驾车，汽车会发声，提醒驾驶员不能开车，汽车自动熄灭。如果汽车再次启动，智能控制系统会再次作出提示，自动熄灭。如果驾驶员连续三次启动，系统将会将其信息传到交通管理系统，交通部门将会通知附近交警迅速赶到事发地，对酒后驾车者进行相应处理。如送到医院等。除外，电子驾照上还会增加酒后驾车的次数，当次数超过一定规定将会在很长一段时间不能驾车，接受管理部门教育。

方案三：采用驾驶员主动吹气方法，进行判断驾驶员是否是酒后开车。方案设计图如2-6所示：这个装置放在驾驶室司机右手位置，当司机发动汽车时，报警装置将会响起，提醒你使用酒精控制器。酒精控制器一般要加热到1分钟左右，该设备绿灯会亮，说明可以吹气。向酒精探头吹气，必须发出声音，这样才能保证测试准确。话筒作用判断是否吹气。当吹气确认后，发送到单片机，开始对气体信号进行检测。酒精含量和电压信号有一定关系——

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含量越高，电压越高；温度越高，灵敏度越高。检测信号经过了放大、检波电路，进行信号放大和对噪声的过滤。之后，通过A/D电路转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，指示灯亮起，可以启动汽车，继电器不起作用，酒精控制器停止工作。反之，超标指示灯亮起，报警装置同时响起，说明不能行驶，若司机强行启动，单片机开始控制继电器，30秒后继电器开关切断点火装置电源，汽车无法行驶，从而实现酒后控制驾车行驶的功能。

图2-6 方案三设计图

2.3.2 优缺点比较

方案一优缺点：智能化，自动检测到驾驶员呼气体酒精含量。若驾驶员强行开车，自动切断点火装置电源使车无法启动或行驶。但由于车内除了驾驶员还有乘客，乘客呼出的气体对检测装置干扰。这种方法可靠性不强。

方案二优缺点：采用电子驾照而系统化。有利于对驾驶员进行管理。此外每个人的电子驾照不同，发动汽车时，必须插入，具用防盗功能。但是空气中的干扰很多，检测不准确，并且建立这么大的网络系统人力物力投入很大，实现困难。

方案三优缺点；设计简单，有效可靠实现酒后驾车控制。但司机需主动进行检测，不够智能化。

根据以上方案的优缺点比较、设计的要求及实际情况，采用方案三为基础进行设计。

2.4器件的选型

表2-2 器件清单

器件名称 器件型号/大小 器件数量（个） 8

酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真 传感器 电阻 电压比较器 接收器 电容 MQ-3 1k、10k LM339 J04H 10uF/16V 1 2、1 1 1 1

原理图如图3-1所示：

3章

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第 电路仿真 酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真

图3-1 MQ-3传感器原理图设计

传感器仿真PCB图如图3-2所示：

图3-2 MQ-3传感器PCB

第4章 可靠性和抗干扰设计

抗干扰的应用包括避免强磁场 ，补偿导线加屏蔽动力电缆 ，与信号线、 分

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开布线、 保持距离 。系统产生干扰的原因有很多， 在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号，又有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等，构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰，造成系统不稳定甚至误操作。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外，还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差，因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。因此，要保证系统稳定和可靠的运行，“接地环路”问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。 解决“接地环路”的方法 根据理论和实践分析，有三种解决方案： 第一种方案：所有现场设备不接地，使所有过程环路只有一个接地点，不能形成回路，这种方法看似简单，但在实际应用中往往很难实现，因为某些设备要求必须接地才能保证测量精度或确保人生安全，某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点。第二种方案：使两接地点的电势相同，但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响，这种方案其实在实际中无法完全能做到。第三种方案：在各个过程环路中使用信号隔离方法，断开过程环路，同时又不影响过程信号的正常传输，从而彻底解决接地环路问题。

第5章 设计心得和体

通过本次课程设计。我了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、

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二极管、三极管、集成电路），增加了自己的知识面对自己所学的知识有了新的认识，并且运用到实践，对软件的掌握也更加熟练，了解了印刷电路板的设计和制作过程，掌握了电子元器件选型的基本原理和方法，了解了电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧，并利用仿真软件进行电路的调试，但是对于软件使用方面仍有不足，在今后应该加强.

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参考文献

[1] 徐德炳译，《传感器的接口及信号调理电路》，北京：国防工业出版社，1984

年

[2] 刘宏，《电子工艺实习》，广州：华南理工大学出版社，2009年 [3] 俞雅珍，《电子工艺技术》，上海：复旦大学出版社，2007年 [4] 康华光，《模拟电子技术》，北京：高等教育出版社，2004年

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