1、編號： 傳感器綜合設計實訓論文說明書題 目： 酒精傳感器設計 院 （系）： 信息與通信學院 專 業： 電子信息工程 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2012年6月22日摘 要 本設計介紹了一種酒精濃度檢測儀的設計方法，主要利用MQ-3酒精傳感器檢測酒精濃度，通過分壓式電路將電阻轉換為成比例的電壓，再利用線性顯示驅動器LM3914驅動不同顏色的發光二極管和蜂鳴器提示檢測得到的酒精濃度大小，并詳細介紹了其調試方法。關鍵詞：酒精濃度 MQ-3 LM3914 Abstract This design has introduced a kind of alcohol concentration of

2、detector design method, the main use MQ-3 alcohol sensor test alcohol concentration, through the points pressure type circuit will convert the proportional resistance voltage, then reuse that LM3914 drive linear driver different color leds and a buzzer detected by tip alcohol size, and introduces it

3、s detailed commissioning method.Key Words: Alcohol concentration MQ-3 LM3914 目 錄引 言11 緒論11.1 設計背景11.2 氣敏傳感器的研究現狀21.3 設計酒精濃度探測儀的意義21.4 方案設計32 硬件電路的設計32.1 MQ-3氣敏電阻傳感器32.2 LED顯示42.3 電路及工作原理分析53 功能調試63.1 檢查電源回路63.2 電壓直接調節63.3 酒精液體校準73.4 電位器調節靈敏度74 結束語7謝 辭8參考文獻9附 錄10引 言從工廠企業到居民家庭，酒精泄露的檢測、監控以及對酒后駕車的監測對居民的

4、人身和財產安全都是十分重要且必不可少的。同時，隨著我國經濟的高速發展，人民的生活水平迅速提高，越來越多的人有了自己的私家車，而酒后駕車造成的交通事故也頻頻發生。如今，由于人們安全意識增強，對環境安全性和生活舒適性要求的提高，再加上氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向的發展，因此，酒精濃度檢測儀具有十分廣闊的現實市場和潛在的市場要求。本文設計的基于線性顯示驅動器LM3914的酒精濃度檢測儀，以LM3914和MQ-3酒精傳感器為核心，具有聲光報警功能。根據不同的環境設定不同的閾值，超過閾值即進行聲光報警，提示危害。該儀器硬件電路設計簡單、功能完善、工作性能好，此外，還具有低功耗、低成本的特點。1

5、 緒論1.1 設計背景我國傳感器市場的增長率超過15%，2003年銷售額為186億元人民幣，2006年銷售額為283億元人民幣，預計2007年為325億元人民幣，2008年為374億元人民幣。我國傳感器4大類中，工業和汽車電子產品占市場份額的33.5%。近年來，傳感器正處于傳統型向新型傳感器轉型的發展階段，新型傳感器的特點是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化，它將不僅促進系統產業的改造，而且可導致建立新型工業和軍事變革，是21世紀新的經濟增長點。 由于氣體與人類的日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態居住環境不可缺少的手段，氣體傳感器發揮著極其重要的作用。氣體傳感器是

6、把氣體中的特定成分檢測出來，并轉化為電信號的一類器件，用來對有害氣體，易燃易爆氣體等進行安全檢測和報警，對生產生活中需要了解的氣體進行檢測，分析，研究等。近年來，我國氣敏傳感器產業有了較快的發展，但與國外相比，從技術水平，產業化及應用等領域均存在著不小的差距。目前，氣敏傳感器領域還存在一些問題。一是元件的穩定性差。由于元件電阻和靈敏度隨時間而不斷變化，漂移大給檢測結果的可靠性帶來不穩定的因素。二是選擇性差。由于在檢測氣體時，往往還存在著其它的干擾氣體(如煙酒等)，使氣敏元件發生交叉響應，產生誤報。三是催化劑中毒。摻有催化劑的氣敏元件接觸某些氣體后，活性組分被毒化，將會改變元件的選擇性，降低其敏

7、感度和穩定性，另外催化劑本身也存在著不穩定性問題。靈敏度問題。四是SnO2元件有時由于靈敏度過大導致誤報，但是在檢測某些低濃度氣體時靈敏度卻難以達到要求。1.2 氣敏傳感器的研究現狀氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結構及制作工藝密切相關。用金屬氧化敏感材料制作的半導體式氣敏元件具有靈敏度高，結構簡單，體小質輕，堅固耐用等優點而得到廣泛的應用，目前仍以SnO2材料為主3。SnO2是一種廣普型的氣敏材料，圍繞SnO2為基體材料的氣敏材料的制備及其氣敏元件制備的研究課題十分活躍。純SnO2的氣敏特性不甚好，尤其是它的熱穩定性不高。為改善其氣敏特性，常在SnO2基體中摻入貴金屬或其他金屬氧化物。盡管

8、SnO2基傳感材料具有許多優點，作為材料也存在一定缺點。通過控制氣敏材料微粒大小，顆粒納米化，摻雜其它添加劑或催化劑，利用過濾設備或透氣膜來獲得選擇性，控制工作溫度及環境濕度影響，改進制備等方法可以改善SnO2傳感器的氣敏性能。納米科學技術(NanoST)是研究尺寸在0.1100nm的物質組成體系的運動規律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。納米技術的發展，不僅為傳感器提供了優良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新型方法。納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，工作溫度大大降低，大大縮小了傳感器的尺寸。當然，在己獲得明顯進展的納米傳感領域中尚存

9、在很多問題，從敏感材料到制作技術都很不成熟，其性能也有不盡人意的地方。氣敏傳感器在家用電器中也有相當廣泛的應用。吸油煙機等產品上常用MQ-3型半導體氣敏傳感器，它采用旁熱式結構，陶瓷管內裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有SnO2材料，使SnO2燒結體位于兩電極之間6。氣敏傳感器工作時，加熱器通電加熱，若無被檢氣體侵入時，氣敏元件的阻值基本不變當氣敏元件表面產生吸附作用，其阻值將隨氣體濃度的變化變化。當被檢氣體濃度增大到一定值時，氣敏元件的阻值將隨之下降到某一值，使電壓比較器的狀態發生變化，輸出控制信號經電流放大后，控制繼電器或雙向晶閘管接通電動機電源使吸排油煙機工作。1.

10、3 設計酒精濃度探測儀的意義本設計基于LM3914設計的酒精氣體濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機的酒精含量。酒后駕車發生事故的機率高達27%。隨著攝入酒精量的增加，選擇反應錯誤率顯著增加，當血液中酒精含量由0.5增至1，發生車禍的可能性便增加5倍，如果增至1.5，可能性再增加6倍。機動車駕駛人員“酒后駕車” 及“醉酒駕車”極易發生道路交通事故, 嚴重危害了道路交通安全和人民生命財產安全。人飲酒后, 酒精通過消化系統被人體吸收, 經過血液循環, 約有90%的酒精通過肺部呼氣排出, 因此測量呼氣中的酒精含量, 就可判斷其醉酒程度。開車司機只要將嘴對著傳感頭使勁吹氣，儀器就

11、能發上顯示出酒精濃度的高低，從而判斷該司機是否酒后駕車，避免事故的發生。當然，最好的辦法是在車內安裝這種測試儀，司機一進入車內檢測儀就檢測司機的酒精含量，如果超出允許值，系統控制引擎無法啟動，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。 酒精氣體濃度探測儀在生產生活中也有重要的應用，比如，在一些環境要求嚴格的生產車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時檢測車間內的酒精氣體濃度，當酒精氣體濃度高于允許限定值時，發出警報，提醒人們及時通風換氣，做到安全生產。1.4 方案設計根據自動檢測系統的組成結構，該酒精濃度檢測儀應該包含酒精氣體傳感器、信號處理電路和執行指示機構等部分。對于酒精氣體傳感器，只要是一般性的還原性

12、氣體傳感器都能夠使用，本設計采用市面上常用的MQ-3型還原性氣體傳感器作為酒精氣體傳感器，再通過分壓式電路將電阻的變化量轉換電壓的變換量，然后通過LED發光管的顏色與數量的不同來指示被測酒精氣體濃度的不同，當超出設定的某閾值后用蜂鳴器發出聲響提示。具體的信號傳遞與結構如圖1所示。 圖1 酒精濃度檢測儀的方案圖2 硬件電路的設計電路的前端部分MQ3傳感器和分壓電路按照常規設計即可，執行驅動聲光指示的電路需要驅動多個發光管以及一個蜂鳴器，即需要將分壓電路得出的電壓轉換成LED線段顯示同時在某點驅動蜂鳴器發聲。因此本設計擬采用LED通用電平顯示驅動芯片LM3914作為執行機構。2.1 MQ-3氣敏電

13、阻傳感器 本設計采用的是表面電阻控制型氣敏傳感器MQ-3，該氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導體，最常用的如SnO2。金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸附在帶負電荷的半導體表面，半導體表面的電子會被轉移到吸附氧上，氧原子就變成了氧負離子，同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層，導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動，電阻較大。當N型半導體的表面在高溫下遇到離解能力較小（易失去電子）的還原性氣體時，氣體分子中的電子將向氣敏電阻表面轉移，使氣敏電阻中的自由電子濃度增加，電阻率降低，電阻減小。其應用于家庭、工廠、商業場所的氣體泄漏監測裝置，防火/安全探測系統。氣體泄漏報警

14、器，氣體檢漏儀。特點：高靈敏度、快速響應恢復、優異的穩定性、長壽命、驅動電路簡單、電信號輸出強。如圖2所示。圖2 MQ-3傳感器引腳圖(左)及簡易檢測電路（右）2.2 LED顯示通用電平顯示驅動芯片LM3914片內有10個電壓比較器，10個1K歐姆精密電阻串聯組成的分壓器分別向各電壓比較器提供比較基準；直線驅動10個發光二極管（LED）組成的10段“線”或“點”式條圖顯示器；對被測量的變化反映迅速真實；無阻尼現象；抗干擾能力強。利用10個發光二極管作為輸入端電平變化的顯示，輸入端電平信號可以是通過各類傳感器和變換電路而探測的各種物理量，如電壓、電流、溫度、濕度、亮度、響度、音頻、距離、磁場強度

15、、重量等等。用它做成的電平顯示器，既醒目、直觀，又方便、實用，并且能反映瞬間變化的信號，用途十分廣泛。例如，在電路設計制作中，它既可以通過探頭和處理電路實現溫度控制和顯示，用于烘箱、冰箱、空調、熱塑封機等設備上，也可以通過分壓變換電路實現電壓高低的直觀顯示，用于儀器、儀表、音響及辦公設備上。核心電路采用了塑封雙列直插的18腳LED點條顯示驅動集成電路LM3914，電路構成及管腳功能如圖3所示。LM3914內部含有10個相同的電壓比較器，它們的輸出端可以分別直接驅動外接的10只發光二極管(VDlVDl0)作條狀顯示，也可以實現點狀顯示。它們的反相輸入端并聯在一起，并通過一個緩沖器接到輸入端5腳。

16、而10個同相輸入端分別接到由10個精密電阻串聯而成的多級分壓器上。而這個分壓器的兩端在內部沒有與其它電路或公共端相連，而是直接由6、4腳引出，通常將之稱為懸浮式，這樣使得應用電路的設計更加靈活和方便。圖3 LM3914電路構成及引腳功能圖 下面以一個分辨率為0.125V的10級線性電壓表為例說明其工作原理。這個電壓表的最大量程為1.25V，將9、11腳相連，設定為點狀顯示，這樣比較省電。分壓器就用內部基準電壓源，6、7腳相連，4、8腳相連并接地，則分壓器每個1k電阻上的壓降為0.125V，因此最下面的一個比較器1同相輸入端的電位為0.125V，比較器2同相輸入端電位為0.25V，依此類推，最上

17、面的一個比較器10基準電壓設定為1.25V。當5腳輸入電壓小于0.125V時，10個LED都不發光，當輸入電壓大于0.125V但小于0.25V時，比較器1反相輸入端電位高于同相輸入端，則比較器1輸出低電位，使VD1發光；當輸入電壓大于0.25V但小于0.375V時，則VD2發光；依此類推，當輸入1.25V電壓時，VDl0發光。以上是用10個LED作0-1.25V十級顯示，每級0.125V；若將6腳外接10V標準電壓源，4腳接地。可以作0-10V十級顯示的電壓表，若將6腳接10V，4腳接5V電壓，少比3腳電源電壓VCC低2V。2.3 電路及工作原理分析 本設計采用5V電源供電，前端是MQ-3型酒

18、精氣體濃度傳感器，利用電阻分壓電路將酒精濃度由電阻量轉化為電壓量，在通過驅動芯片LM3914按照電壓大小驅動輸出相應的發光管，當到達一定閾值時蜂鳴器被觸發，發出報警聲。調試時通過電位器RP調節測量的靈敏度。具體的電路原理如圖4所示。 圖4 電路原理圖3 功能調試3.1 檢查電源回路 在通電之前，用數字萬用表的二極管通斷檔測量電源正負接入點之間的電阻，應該成高阻態。如果出現短路現象，應立即排查，防止通電燒元件的事故。同時，目測IC的正負電源是否接反。當一切正常后方可通電調試。3.2 電壓直接調節 本設計主要是通過電阻分壓電路測量酒精氣體濃度變化的，而LM3914也是根據輸入電壓的大小決定點亮LE

19、D的數量的，因此可以先調試傳感器之后的電路時是否正常。使用穩壓電源的一組5V使系統通電后，將可調穩壓電源的另一組輸出調至0.2V左右，其電源正通過一個1K的電阻接入圖中的A點，其電源負與系統電源負短接。再調節電源從0.2V-5V，觀察輸出LED和蜂鳴器的變化。正確的變化應該是，LED1-LED9挨個被點亮，在LED5和LED6被點亮之間蜂鳴器將發出聲音，并一直持續。 如果沒有一個LED被點亮，可能是LM3914的周邊電路沒有配合好，或者是電路某點有開路；如果是最終有幾個紅色LED未被點亮，可能是電位器RP的阻值偏小，調大一些再試；蜂鳴器未發出聲響，可能原因是后面的發生電路開路，或者三極管燒壞。

20、3.3 酒精液體校準 按照傳感器的使用要求，先通電將傳感器預熱。然后使用乙醇液體作為酒精氣體的散發源，先使用50%的乙醇水溶液，再根據具體情況調節乙醇含量，最終得到200ppm的酒精調試系統。3.4 電位器調節靈敏度 調試完成，根據具體的需要調節電位器RP，控制系統測試的靈敏度，要注意傳感器的電阻參數。4 結束語本設計利用MQ-3酒精傳感器作為檢測部分，通過分壓式電路得到與電阻成比例的電壓，再通過一個線性顯示驅動器LM3914驅動不同顏色的發光二極管和蜂鳴器提示檢測得到的酒精濃度大小。電路設計簡單實用，成本低廉，調試方便，非常適合作為中小企業的加工產品。通過這次實訓，我學到了很多東西，同時也鞏

21、固了傳感器這門課程知識，學會了傳感器的硬件設計。通過實訓讓我感覺到理論和現實的差別。在過去的二年多的大學學習中，大部分時間是在跟著老師學習，學習過去的一些基本理論一些基本的思想，感覺上好像學習就應是這個樣子，就應該是老師讓我們干什么我們就干什么，沒有自己真正實踐過。第一次接觸這樣的課程，十分高興，我深入到實際的工程案例中。它能充分調動大家的積極性，趣味性強，不僅鍛煉能力，而且可以學到很多書本上沒有的東西。我們上網查找相關的資料，并從眾多資料中篩選出對自己有用的東西，真正鍛煉了我們的能力。雖然起初感覺有點無從下手，但慢慢就變得得心應手。在這次的設計中，也得到了同學和老師的幫助。通過這次學習，使我對本專業有了更深的認識，也大大提高了我的動手能力。當然，在這次設計中，也得到了同學和聯系的幫助，我的設計還存在許多需要提高的地方，有待于在將來設計中進一步改進，在此懇請