车载酒精浓度的检测

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设计背景近年来，随着我国经济的发展，人民的生活水平提高，越来越多的人有了自己的车，而酒后驾车造成的交通事故也越来越多，国家也出台了一系列的法律法规，试图通过法律的手段遏制这一现象的进一步发展。介于人们对于醉驾的逐渐重视，酒精测试课题便更加受人关注。酒驾引起的交通事故是由于司机饮酒过量造成酒精麻痹神经，使大脑反应迟钝，肢体不受控制的症状。酒后驾车发生事故的概率高达27%。随着摄入酒精量的增加，发生事故的几率也随之增加，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。汽车司机“酒后驾车”以及“醉酒驾车”都极易引发交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。人饮酒后,酒精被消化系统吸收后,通过血液循环,大概90%的酒精通过呼吸排除体外,因此测量车内的酒精含量,就可判断其醉酒程度。开车司机只要进入车内，仪器就能根据空气中的酒精含量显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，然后通过控制发动机的启动来避免事故的发生。这样就可以从根本上解决酒后驾车问题。酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真2第2章设计要求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0.2-1.4V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传感器的选择气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有气敏效应。气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。半导体气敏传感器对于低浓度气体具有很高的灵敏度，具有嗅觉功能，能自动检测浓度。一旦浓度超限，气敏传感器即可自动报警。半导体气敏传感器是利用待测气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化来检测气体的种类和浓度的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处时，如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而形酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真3成正离子吸附。如H2、CO、碳氢化合物等，被称为还原型气体。当还原型气体吸附到N型半导体上时，载流子增多，使半导体电阻值下降。本设计中的酒精气体传感器采用的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。如图2-1所示：图2-1MQ-3特点:检测范围为10ppm～2000ppm；灵敏度高，输出信号为伏特级；响应速度快，小于10秒；功耗小于0.75W，尺寸：D17*H10。使用方法和注意事项：(1)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，(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。(3)元件在接触标定气体100ppm25CHOH10秒钟以内负载电阻两端的电压可达到（dgaVV）差值的80%（即响应时间）；脱离标定气体]100ppm25CHOH30秒钟以内负载电阻两端的电压下降到（dgaVV）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。表2-1酒精浓度和输出电压关系图浓度/ppm电压/V浓度/ppm电压/V0010006.8421002.50315008.7525004.714MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的N型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真4发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。MQ-3的灵敏度特性曲线如图2-2所示。图2-2MQ-3灵敏度特性曲线其中：温度：20℃、相对湿度：65%、氧气浓度：21%RL=200kΩRs：元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。R0:元件在洁净空气中的电阻值。MQ-3型气敏元件的温湿度特性曲线如图2-3：图2-3MQ-3温湿度特性曲线图Rs/Ro--Temp0.500.600.700.800.901.001.101.201.301.401.501.601.70-100102030405060TempRs/Ro33%RH85%RH酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真5其中：Ro:20℃，33%RH条件下，200ppm的乙醇蒸汽中元件电阻。Rs:不同温度，湿度下，200ppm的乙醇蒸汽中元件电阻。检测电路如图2-4所示，当电源开关S断开时，传感器加热电流为零，实测A，B之间电阻大于20MΩ。S接通，则f与f之间电流由开始时155mA降至153mA而稳定。加热开始几秒钟后A，B之间电阻迅速下降至10KΩ以下，然后又逐渐上升至120KΩ以上后并保持着。此时如果将酒精溶液样品靠近MQ-3传感器，我们立即可以看到数字万用表显示值马上由原来大于120KΩ降至10KΩ以下。移开小瓶过1分钟左右后，A，B之间电阻恢复至大于120KΩ。这种反应可以重复试验，但要注意使空气恢复到洁净状态。经实验的反复检测，MQ-3传感器可以正常工作使用，对不同浓度的酒精溶液有不同的变化，响应时间和恢复时间都正常，可以开始作信号采样模块电路的设计。图2-4MQ-3检测电路MQ-3酒精传感器对乙醇蒸气有很高的灵敏度，并且响应和恢复快速。另外，MQ-3酒精传感器简单的驱动回路和可靠的稳定性是相比较于其他型号传感器的优点。MQ-3酒精传感器可用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也可用于其他场所乙醇蒸气的检测。其外部结构如图2-5所示：酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真6图2-5MQ-3外部结构图表2-2MQ-3的组成MQ-3气敏元件的结构和外形如图2-5所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。气敏传感器的外观和相应的结构形式如图2-7所示，它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6个管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。图2-7中①、②、③分别表示MQ-3乙醇传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。其中H-H表示加热极（如5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的2部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真7个极，图③中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。图2-7MQ-3传感器的外观和相应的结构形式加热电压取交直流5V均可。当气敏传感器加热后，环境中的可燃气体浓度加大时，传感器的内阻将迅速减小，利用该特性结合分压原理，分析得知Vout的值将逐渐加大，当超过我们设定的阈值时，可产生相应的操作。经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。MQ-3乙醇气体传感器及其调理电路原理如图4所示。其外形如图5所示。经过调理，检测信号由电阻值转变成电压值，便于后续电路进行A/D转换和处理。整体电路图如下图2-8所示：图2-8MQ-3整体电路图酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真8MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的N型半导体微晶烧结层构成。当其表面接触被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。2.3电压比较器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2-9电压比较器2.4器件的选型表2-3器件清单器件名称器件型号/大小器件数量（个）传感器MQ-31电阻4.7k、10k1、1电压比较器LM3391电容10uF/16V1滑动变阻器10K1电压比较器LM3391酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真9第3章传感器仿真传感器仿真PCB图如图3-1所示：图3-1传感器仿真PCB酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真10参考文献[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[5]康华光等.电子技术基础第2版[M].北京:高等教育出版社，2004：10-156.