酒精传感器设计Word下载.docx

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（3）对设计的传感器进行了标定。

设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓度值。

并且在检测低浓度酒精时误差较小，最大误差为8.2%满足设计要求

1.1设计背景

我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。

我国传感器4大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。

近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。

由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。

气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。

近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。

目前，气敏传感器领域还存在一些问题。

一是元件的稳定性差。

由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。

二是选择性差。

由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体（如烟酒等），使气敏元件发生交叉响应，产生误报。

三是催化剂中毒。

掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。

灵敏度问题。

四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求。

1.2气敏传感器的研究现状

气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。

用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而得到广泛的应用，目前仍以SnO2材料为主[3]。

SnO2是一种广普型的气敏材料，围绕SnO2为基体材料的气敏材料的制备及其气敏元件制备的研究课题十分活跃。

纯SnO2的气敏特性不甚好，尤其是它的热稳定性不高。

为改善其气敏特性，常在SnO2基体中掺入贵金属或其他金属氧化物。

尽管SnO2基传感材料具有许多优点，作为材料也存在一定缺点。

通过控制气敏材料微粒大小，颗粒纳米化，掺杂其它添加剂或催化剂，利用过滤设备或透气膜来获得选择性，控制工作温度及环境湿度影响，改进制备等方法可以改善SnO2传感器的气敏性能。

纳米科学技术（Nano—ST）是研究尺寸在0.1—100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感器制作提供了许多新型方法。

纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度，工作温度大大降低，大大缩小了传感器的尺寸。

当然，在己获得明显进展的纳米传感领域中尚存在很多问题，从敏感材料到制作技术都很不成熟，其性能也有不尽人意的地方。

气敏传感器在家用电器中也有相当广泛的应用。

吸油烟机等产品上常用MQ-3型半导体气敏传感器，它采用旁热式结构，陶瓷管内装有高阻抗加热丝，管外涂有梳状金属电极，金属电极之外涂有SnO2材料，使SnO2烧结体位于两电极之间[6]。

气敏传感器工作时，加热器通电加热，若无被检气体侵入时，气敏元件的阻值基本不变当气敏元件表面产生吸附作用，其阻值将随气体浓度的变化变化。

当被检气体浓度增大到一定值时，气敏元件的阻值将随之下降到某一值，使电压比较器的状态发生变化，输出控制信号经电流放大后，控制继电器或双向晶闸管接通电动机电源使吸排油烟机工作。

1.3设计酒精浓度探测仪的意义

本设计基于STC12C5A60S2单片机设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度，最主要的用途是检测司机的酒精含量。

酒后驾车发生事故的机率高达27%。

随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，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。

机动车驾驶人员“酒后驾车”及“醉酒驾车”极易发生道路交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。

人饮酒后,酒精通过消化系统被人体吸收,经过血液循环,约有90%的酒精通过肺部呼气排出,因此测量呼气中的酒精含量,就可判断其醉酒程度。

开车司机只要将嘴对着传感头使劲吹气，仪器就能发上显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，避免事故的发生。

当然，最好的办法是在车内安装这种测试仪，司机一进入车内检测仪就检测司机的酒精含量，如果超出允许值，系统控制引擎无法启动，这样就可从根本上解决酒后驾车问题。

酒精气体浓度探测仪在生产生活中也有重要的应用，比如，在一些环境要求严格的生产车间，用这种酒精浓度探测仪，可随时检测车间内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度高于允许限定值时，发出警报，提醒人们及时通风换气，做到安全生产。

1.4本文主要研究工作

（1）硬件电路方面，对气体传感器MQ-3按检测电路，接上一定阻值的负载电阻，检测它的技术参数，确定MQ-3所接负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计；

采样到的模拟电压电信号通过A/D转换，得到可供单片机处理的数字信号，再由单片机作相应的数据处理；

发光二极管报警显示和3个单位8段共阴数码管浓度值显示。

（2）软件方面，标准的确定是该部分要做的主要工作。

因为原始的采样值是一个间接的负载分压值，需要将它转化为被测酒精浓度值。

通过多个样品的测量确定多个浓度区间的转换标准，并将每个区间的转换关系近似线性化处理，然后通过软件编程的方法来实现。

（3）为了尽量减少设计的气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时要考虑并解决3个主要问题。

一是外界环境流动空气对传感器的影响和对气体样品的稀释，二是样品的稳定性对测量带来的误差，三是水蒸气对测量的影响。

针对这3个主要问题提出以下解决方案和验证方法。

测量样品时，将探头尽量放入塑料瓶内，可以在一定程度上消除流动空气的影响，同时应选择空气流动较小的室内环境来测量。

水蒸气对MQ-3的影响很小，这一点可以通过对只装有纯净水的塑料瓶的多次测量来验证。

用相同容量的塑料瓶配制好不同浓度的酒精溶液后，将它密封并放置一段时间，待其稳定后再测量。

再通过反复多次测量多组数据，求其平均值的方法来缩小测量误差。

2.硬件系统框图

基于STC12C5A60S2单片机用MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的检测，需要信号采集模块用于对酒精浓度信号的采集，该信号是通过MQ-3气体传感器和负载电压得到分压电信号。

信号转换模块用来把采集到得模拟电压信号转换位可以用单片机处理的数字信号。

数码管显示模块是对单片机处理后的数字信号的显示，用来显示酒精的浓度。

报警模块是对设定值提供报警功能，该功能用蜂鸣器显示。

根据各功能模块的设计，可得到它的系统总框图，如图1所示。

图1系统总框图

2.3信号采集电路

根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类:

（1）可燃性气体气敏传感器。

目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。

（2）CO和H2气敏传感器。

CO气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等CO泄露和不完全燃烧检测报警；

H2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道煤气泄露报警。

由于我国管道煤气中H2含量很高，而氢敏元件较氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄露报警更为适宜。

（3）毒性气体传感器。

毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，虽然SnO2气敏传感器对CO，H2S等有毒有害

气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。

传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的性质进行的分类，也有根据元件的物理特性进行分类的。

一个新型的气体检测系统应该包括：

（1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。

（2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。

（3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。

（4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。

本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。

图2MQ-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。

MQ-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3所示。

图3MQ-3灵敏度特性曲线

检测电路如图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，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4MQ-3检测电路

2.4数据采集设计

信号的采样模块电路如图6所示。

MQ-3的加热电阻两端即H引脚接至+5V直流稳压电源，用于电阻丝对敏感体电阻的加热。

MQ-3的两个A引脚相连，作为敏感体电阻的一个电极。

MQ-3的两个B引脚也连接在一起，作为敏感体电阻的另一个电极。

将电极断A接到电源正极，电极端B接两个200KΩ电位器并联的电阻。

MQ-3型气敏传感器与电位器并联构成分压电路，采样点为电位器的分压。

MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物SnO2的N型半导体微晶烧结层构成。

当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。

对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。

在采样硬件电路中实际要考虑到MQ-3的实际技术参数，即加热电阻和敏感体电阻的大小，该部分应与电源正极相连。

负载电阻要根据MQ-3实际的技术参数而选择阻值合适的电阻，应在实验使用前应对MQ-3预热5到10分钟。

图6数据采集电路

2.5报警电路设计

在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，供操作人员参考，了解系统的工作状况。

但对于某些紧急状态，比如系统检测到的错误状态等，为了使操作人员不至于忽视，及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意，提起警觉的报警信号。

这种报警信号通常有三种类型：

一是闪光报警，因为闪动的指示灯更能提醒人们注意；

二是鸣音报警，发出特定的音响，作用于人的听觉器官，易于引起和加强警觉；

三是语音报警，不仅能起到报警作用，还能直接给出警报种类的信息。

其中，前两种报警装置因硬件结构简单，软件编程方便，常常在单片机应用系统中使用；

而语音报警虽然警报信息较直接，但硬件成本高，结构较复杂，软件量也增加。

实现单频音报警的接口电路比较简单，只要当值高于警报值的时候给一个高电频驱动二极管发光和驱动蜂鸣器鸣音报警,实现电路简单易懂。

以下为报警电路接线图如图9所示。

图9报警电路图

这一章比较具体的说明了系统硬件设计的内容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成一个个单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。

这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效。

大大提高系统设计的效率与质量。

由于我主要负责的是硬件设计，所以只是简单的介绍硬件方面的内容。

3软件设计

3.1编译语言的选择

对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。

汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。

程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。

汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。

C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。

还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。

且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。

基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法。

软件编写的主体思路是将系统按功能模块化划分，然后根据模块要实现的功能写各个子程序。

整个软件程序的编写采用查询式方式编写的。

3.2主程序模块

主程序实现的功能：

与硬件相结合实现便携式酒精浓度检测仪的各个功能。

主要是检测与显示，时间调整与显示，数据存储。

功能子函数的调用。

主程序流程图见图10。

图10主程序流程图。

3.3按键输入模块

⑴按键时显现人机对话的一个控制按钮，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后在液晶上显示。

⑵按键查询式的流程图如图11所示。

图11按键查询式流程图

按键的四个键分别接P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，由于P1口具有上拉电阻，所以不在需要加上拉电阻进行电压的放大。

4系统调试

在前面几章中，我们详细讨论了酒精浓度测试仪的硬件和软件设计，但是要系统真正的运行起来达到预期的指标和功能，就必须对系统进行调试。

系统的调试包括系统的硬件和软件设计。

4.1系统硬件调试

4.1.1元器件的焊接

焊接前应对整个电路板进行检查。

首先，用万用表对印制的电路板线路进行检查，该过程是在焊接元器件之前的必要工作，主要是检查印制的电路板线路是否有断路的情况，如果检查没有问题，则可以对元器件进行焊接。

焊接前对电阻、电容的量值要进行测量、筛选，选择与电路中参数值一致的元器件，在选择芯片时，要注意芯片与设计要求的型号、规格和安装是否一致。

在焊接时，应将印制的电路板认真对照原理图，查看元器件的引脚焊接是否正确。

4.1.2电路测试

电路板焊接完成后，需要对每个元器件的引脚逐个进行检查，一方面是检查有没有引脚虚焊或与其他信号线短路，另一方面是对器件引脚功能的再检查，查看设计是否正确。

检查电路焊接没有问题后，则可以进行上电测试。

上电测试是调试的关键部分，按照系统方案设计的模块化思想，应该分模块测试系统。

首先还是应该测试电源部分，系统上电以后，测试各个电源端口和器件的电源部分是否工作正常，同时应注意系统中有无器件过热情况，如果有的话，可能是相应的器件损坏或电路中有短路，需要认真检查之后再加电。

如果没有问题，则可以进行功能的检测。

由于系统硬件较复杂，硬件电路装配、焊接完成后，可能不能正常工作。

为了方便调试，采用分块调试的方法。

在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成芯片的损坏。

加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V~5.5V之间属正常范围。

4.2系统软件调试

硬件调试完成以后，软件调试就非常重要。

系统软件调试时也要分模块来进行调试，这样才能使进程有条不紊的进行下去，而不至于出现混乱。

首先，检查数码管液晶显示。

数码管显示上后，检查是否可以正常显示，若不正常，此时，按下按键即进行调整。

其次，调试报警电路模块。

检查存储模块是否能够正常报警，当存入一个数据的时候，是否报警能正常，看是否与之前存入的数据一致，若一致则说明报警电路正常工作。

最后调试传感模块，根据传感器的要求，输入一个9V高电压和一个5V电压，则传感能通过单片机实现AD转换，在数码管显示正常的电压，则调试成功，之后进行程序的运算，使数码管实现显示酒精浓度数值。

4.3系统整体调试

在软件和硬件的分别调试成功后，然后进行程序的捎入单片机中，进行整块系统的调试，提供5V的电压，使单片机和传感器，和各个元件都能正常工作后，要对传感的最大值和最小值的调试，最小值调试，即把传感器裸露在空气中，环境为无酒精环境，调节滑动变阻器，使数码管显示为0，进行多次断电，最终没有数据变化，数值为零，即对传感器的最小值调试成功；

传感器的最大值为5V即相对应的浓度为1000PPM，在目前条件找不到如此浓度的酒精，进而，对一般数值的酒精浓度调试，就是在三个相同的容器下，倒入不同量的酒精，然后进行稀释，然后进行测量，在大致的估计得浓度下，看是否有很大偏差，没有就说明，整体调试成功。

5结束语

MQ-3传感器属于金属半导体电阻式传感器，灵敏度高，响应速度快，可重复性使用。

当传感器的敏感部分吸附有酒精分子时，表面的导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测酒精气体浓度的不同而发生相应的变化，且这种变化是可逆的，可重复使用。

MQ-3接上一定阻值的负载电阻，即可构成对酒精气体浓度的检测部分。

负载电阻的分压值即对应着一个酒精气体的浓度值，只需对该分压值采样，就可得到要测酒精气体浓度值的信号。

将该信号通过A/D转换，将模拟信号转化为数字信号。

转换后的数字信号由单片机作相应的数据处理，得到3位BCD码并将3位送送数码管显示。

在蜂鸣器报警模块中，将采集信号输入二极管集成功率放大器，对该采集信号放大后驱动相应的蜂鸣器，起到报警的作用。

当然可以对本系统作一定改进，并在此基础上制作酒精检测钥匙。

即在车钥匙上设计一个小吹管，由一组信号发射器连接至车上的电子控制组件，如果驾驶者在开门之前所做的酒精吹气测试样本被发现超过法定允许的标准值，则系统将使引擎维持在静止状态无法启动。

当驾驶者按下遥控器上的开门按钮，酒精探测仪也随之启动，然后驾驶者对着小管口吹气，酒精浓度会经由感应器上的小绿灯或小红灯显示出来。

当显示绿灯时，钥匙将传送允许信号至车辆的电子控制系统，也就是通过检测，可以上路了；

但是如果测试结果为红灯，则车辆将维持在锁定状态，即使钥匙插入钥匙孔也无法发动车子。

半导体气敏传感器和电化学固体电解质气敏传感器具有测量精度高、所需试样少、响应快等特点，广泛应用于化工、建筑、环保、医疗、家电、安全保卫等领域。

随着纳米技术、薄膜技术等新材料研制成功，微机械与微电子技术、计算机技术等的综合应用，高性能的气敏传感器将会不断出现。