简易酒精传感器

传感器课程设计报告书

课题名称 简易酒精浓度超标测试装置 姓 名 石浩淼 学 号 20096655 院、系、部 电气工程系 专 业

电气工程及其自动化

指导教师 马丽

2013年 1 月 5 日

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2009级传感器 课程设计

一、设计目的

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。酒精浓度监测仪是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。本研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工具，采用高精度MQ-2乙醇气体传感器对空气中的乙醇浓度进行检测。

二、课程设计要求

2.1设计要求

2. 1.1 本课题主要完成的设计部分

(1) 信号采集及处理电路

由气敏传感器及附属电路组成，传感器将空气中的酒精浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理。

(2) 声光报警电路

在酒精浓度超标时，电路产生相应的红色警告信号，同时驱动扬声器产生音频信号。电路应以不同的灯光提示，表明酒精浓度未超标。

三、硬件电路设计

3.1 基本原理

3.1.1 基本原理框图

图1 基本框图

3.1.2 工作原理

（1）直流电源由4节1.5V干电池供电

（2）信号采集及处理电路

信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电路需要用气体传感器，将被检测对象中含的气体的浓度变为传感器的电信号输出，以利于后面的信号处理电路进行处理。

3.2传感器的选择

3.2.1 气敏传感器介绍

按构成气敏元件的材料划分为半导体和非半导体气敏元件两大类，而半导体型又分为电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作而成，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体气敏元件是根据气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。

3.2.2 电阻型半导体气敏元件的工作原理

电阻型半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时的电导率等物性的变化来检测气体。电阻型半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定吸附处（化学吸附）。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有

O 2和NO

2

，称为氧化性气体或电子接收性气体。如果器件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，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H

2

、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原性气体或电子供给气体。

当氧化性气体吸附到N型半导体上，还原性气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大；相反当还原性气体吸附到N型半导体上，氧化性气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，使电阻下降。

空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧气的吸附也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系，即可得知被测气体的浓度。

3.2.3 MQ-2气敏传感器特性

气体：酒精（乙醇）

探测范围：10～ 1000ppm酒精

特征气体：125ppm酒精

灵敏度：R in air/R in typical gas≥5敏感体电阻：1～20KΩ in air空气中响应时间：≤10s（70% Response）

恢复时间：≤30s（70% Response）

加热电阻：31Ω±3Ω

加热电流：≤180mA

加热电压： 5.0V±0.2V

加热功率：≤900mW

测量电压：≤24V

工作条件：

环境温度：-20℃～+55℃

湿度：≤95%RH

环境含氧量：21%

贮存条件：

温度: -20℃～+70℃

湿度:≤70%RH

3.3 触发电路

触发电路作用就是用555组成双稳态触发电路，由其输入状态改变输出状态，触发后续的执行电路。

555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思巧妙，因其内部含有电压比较器、基本R-S触发器、放电电路及驱动电路等，辅以适当外围分立元件后，被广泛应用于单稳态电路、施密特触发器、多谐振荡器、幅度鉴别器、波形发生器、延时发生器、定时器及电压-频率变换电路等，用

途十分广泛。

图2 555管脚图图3 555内部原理图

表2 555芯片逻辑功能表

④脚⑥脚②脚③脚⑦脚

0 X X 0 导通（0）

1 1 1 0 导通（0）

1 0 0 1 截止（1）

1 0 1 原态原态

1 1 0 不定（禁止）不定（禁止）

3.4 555触发电路图

图4 555触发电路图

当空气洁净时，因气敏传感器电阻大，1R和2R分压小，555输入为低电平，

即V

2和V

6

都为低电平，由功能表可知：V

3

为高电平，即NE555置位，D

2

(LED，红）

不工作。

当空气中存在有害气体时，因气敏传感器电阻变小（约为466 ）而使1R 和2R分压值增大，555输入高电平，故V2和V6同时为高电平，且复位端电压V4

也为高电平，由功能表可知：V

3为低电平（V

3

相当接近0V）,D

2

（LED，红）导通

发光。

3.5 声光报警电路

该报警电路由发光二极管（红）、扬声器及其附属电路组成

图5 声光报警电路

当555输出低电平时发光二极管导通，发出亮光。NPN型三极管正向偏置进行放大，扬声器发出声音报警。当555输出高电平时发光二极管正向电压低于负