西华大学课程设计说明书

课程设计说明书

课程设计名称：电子技术课程设计题目：酒精检测仪

学院：机械工程学院

学生姓名：

专业：测控技术与仪器

学号：

指导教师：

日期：20167 月 4 日

成绩

酒精检测仪

摘要：

为本课题研究的是一种以气敏传感器和A/D转换器，为主，监测空气酒精浓度，并具有LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。此需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。本课题研究的是一种以气敏传感器和A/D转换器为主，监测空气酒精浓度，并具有声报警功能及LCD显示功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中和呼气中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阀值，对超过的阀值进行声报警，并显示阀值．来提示危害。

关键词：酒精浓度，设计，检测，传感器，A/D转换器

Abstract： The study of this topic is a kind of gas sensor and A/D converter, mainly to monitor the air alcohol concentration, and with LCD display function of the air alcohol concentration monitor. This requires the design of an intelligent instrument to monitor the alcohol content of the driver's body. The research of this topic is based on the gas sensor and A/D converter, monitoring air alcohol concentration, and with the sound alarm function and LCD display function of the air alcohol concentration monitor. The monitor ambient air and breath alcohol concentration value, and set different threshold according to the different environment, to exceed the threshold to sound the alarm, and display threshold. To prompt the hazard.

Keywords：alcohol concentration，desig，testing,sonsor,converte

目录

1 前言 (1)

1.1 设计背景 (1)

1.2 设计目标 (1)

1.3 实施计划 (1)

1.4 必备条件 (2)

2 总体方案设计 (3)

2.1 方案比较 (3)

2.1.1 方案一 (3)

2.1.2 方案二 (3)

2.2 方案论证 (4)

2.3 方案选择 (4)

3 单元模块设计 (5)

3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 (5)

3.1.1 传感器模块设计 (5)

3.1.2 A/D转换器模块设计 (6)

3.1.3 数字显示电路模块设计 (7)

3.1.4 报警电路模块设计 (8)

3.2 特殊器件的介绍 (9)

3.2.1 MQ-2传感器介绍 (9)

3.2.2 TC7107介绍 (10)

4 系统调试 (13)

4.1 调试环境 (13)

4.2 硬件调试 (13)

5 系统功能、指标参数 (16)

5.1 系统能实现的功能 (16)

5.2 系统指标参数测试 (16)

5.3 系统功能及指标参数分析 (16)

6 结论 (18)

7 总结与体会 (19)

8 谢辞 (20)

9 参考文献 (21)

附录 (22)

1前言

喝酒后，呼出的气体会有酒味，表情行为会有反常。远古时代人们利用鼻子作为传感器，进行简单的呼出气体酒精测量。19世纪末出现了用体液对酒精进行定量分析。1927年，有科学家建议使用呼出气体做酒精浓度分析。用足球胆收集呼出气体后，通过硫和重铬酸钾的混合溶液，溶液的颜色会发生蓝一绿一黄的变化，同已知酒精浓度的标准试剂色管比较，就得到相应的BAC。现在，肺泡气中酒精的测量技术有了很大的进步，有先进微处理器的酒精测试仪已被商品化。越来越多的国家开始禁止酒后驾车。精确的呼出气体酒精测试和传统的法医血液酒精分析相比有许多优点，例如，进行无毒的采样，能进行现场处理，这样为交警节省了时间，使交通控制更高效，能避免运输和贮存有艾滋病病毒和肝炎病毒的血样。

1.1 设计背景

如今，交通越来越发达，车流量日益增大，引发的交通事故也随之不断增加。其中，有很大一部分是由于司机酒后驾车所造成的，因此要严格处理酒后驾车。通过立法制止酒后驾车的急切呼吁要求发展更可靠的酒精测量方法。本文正是介绍一种通过使用呼出气体做酒精分析测量酒精浓度的方法，可以为检测酒后驾车提供帮助

1.2 设计目标

设计一种简单方便，设计简单，制作简单，成本低，性价比高，实用的用于公共场所具有检测和报警功能的酒精浓度测试仪。成品可用于交警对汽车驾驶者测试与监督，也可以用于司机驾车前的自我检测。当然酒精测试仪不仅仅可以用来查酒驾，还可以应用于室内的环境检测，检测出某些特殊的工厂，车间等地，根据空气中酒精的浓度来进行报警，避免人们处于危险的环境当中。

1.3 实施计划

表1-1计划实施表

1、收集与酒精检测仪相关的论文，书刊作为参考，

2、了解整个过程需要用到的软件，电子元件，以及相关知识。

3、学习并熟练的运用相关软件，例如：Protues。

4、计整体思路，化整为零，按部就班完成设计。

5、同学之间相互信任，集思广益，齐心协力的奋斗。

6、老师的辛勤指导，悉心检查。

2总体方案设计

方案一较方案二设计简单易懂，价格低，且不影响检测效果。

2.1方案比较

2.1.1方案一

图2-1 原理框图

方案一如图2-1所示，整个酒精检测仪由4大部分组成气敏型传感器、A/D转换、数字显示电路、以及报警电路。整个系统简单化，没有使用单片机，为此我们也颇费精神来寻求转换方法，工作原理是在传感器传出的电压信号传到A/D转换器，经A/D转换器转化为数字信号，然后显示出来。

2.1.2方案二

图 2-2 原理框图

方案二如图2-2所示，整体由传感器、TCL7107、按键、报警提示、液晶显示器6部分组成，此方案采用TCL7107，使得转换变得简单，但是液晶显示又过于复杂。

2.2方案论证

方案一，与方案二大同小异，都选择转换器，都有传感器，报警电路和显示电路。但是方案一的转换器使用的TC7107。

2.3方案选择

选择方案一，由于其简便，需要的元件简单易于寻找，连接方式简便，相对于方案二，少了按键，液晶显示，成本更低，但是效果却不变。电路的连接也较为简单。相比

之下选择方案一更为合适。

3 单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为4个单元模块，它们分别是：传感器模块、转换器模块、数字显示模块和报警电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1.1传感器模块设计

1、传感器模块，我们选择的是MQ2气敏型传感器，主要是接受被测环境的信号。气体传感器是气体检测系统，里面装有探头，气体传感器是将气体的气体体积分数转换成相应的电信号的转换器。探头穿过气体样品的干扰调节气体传感器，通常包括过滤杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品提取，同时对样品进行化学加工，以便气体传感器进行更快速地检测出结果。在选择传感器的时候，稳定性、灵敏性和性价比非常重要。本系统选择的是MQ2型酒精传感器。MQ2 酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。MQ2 型气敏传感器由微型Al2O3、陶瓷管和SnO2 敏感层、测量电极和加热器组成的敏感元件固定在不锈钢或者塑料的腔体内，带有加热装置为气敏元件的工作提供了必备的工作环境。我们为了把测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，我们一般在使用前需要把传感器预热5 分钟。

2、所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)当传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

3、如图

图2-3 气敏型传感器

特点：对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性快速的响应恢复特性简单的驱动回路应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；也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。

4、模块的具体电路

图2-4 传感器仿真电路

5、相关参数计算

阻止为0.01010欧的RV1滑动变阻器下半部分的电压即为模拟的气敏传感器输出的电压，但由于与之连接的AD量程在200mv-2v之间，所以串联一个10M的电阻，比列为100：1，所以滑动变阻器上满量程时分得的电压为50mv 。

3.1.2A/D转换器模块设计

1、转换器我们选用的是TC7017, 它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED 数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。本文主要介绍其管脚及主要参数。

图3-1 TC7107转换器

2、ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路。它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1 个字。能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN 。在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V 基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。不设有一专门的小数点驱动信号。使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+。

3.1.3数字显示电路模块设计

1、数字显示电路我们采用数码显示。

2、数字显示电路元件简单，造价低，但显示效果好，在不采用单片机的情况下数字显示电路比液晶显示电路更合适。

图3-2 数字显示电路

3、特点：功耗低、品种多、价格低廉、电源电压范围宽。

4、电路功能：此模块由3个LED数码管a,b,c,d,e,f,g分别和TC7107 31/2数模转换器的A1.2.3；B1.2.3；C1.2.3;D1.2.3；E1.2.3;F1.2.3；G1.2.3相连。将TC7107转换后的数字量显示在数码管上，显示在数码管上的就是输入的酒精浓度。

3.1.4报警电路模块设计

1、报警电路包括，逻辑电路和报警系统。

2、与门和或非门电路的组合。

图3-3 报警电路

3、当数值小于20毫克时，报警电路的绿灯亮，红灯不亮；当数值大于20时，报警电路红灯亮，绿灯不亮，此时为报警。

3.2特殊器件的介绍

本系统中主要使用了如下一些功能器件：气敏型传感器MQ-2、。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。

MQ-2传感器其特点在于广泛的探测范围、优异的稳定性、寿命长、高灵敏度、快速响应恢复、简单的驱动电路。

3.2.1MQ-2传感器介绍

1、设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过A/D 转换器转换得到数据。此外，还需接人LED数码管显示电路等。

2、工作原理：中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾浓度越大，电导率越大输出电阻越低。

3、MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等；MQ2传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。

图3-4 MQ2引脚图

4、MQ2传感器都是6个引脚其中中间对称的两个引脚H与H’（2&5）为加热引脚，选取两脚中的其中的一脚接正电源都可以。脚与3脚是A与A’。4脚与6脚是B与B’是信号引脚，这两对引脚其中一对作为接正电源；另一对做信号输出[A与A、B与B’在内部都相通的，可以数字万用表测量二极管档测其引脚，这是判断传感器好坏的方法之一。

表3-1 MQ2传感器技术要求

3.2.2TC7107介绍

1、TC7107是高性能、低功耗的3位半A/D转换器，包含七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。TC7106含有一背电极驱动线，适用于液晶显示（LCD）；TC 7107可直接驱动发光二极管（LED）。

2、保证零电平输入时，各量程的读值均为0；1pA典型输入电流；真正的差动输入和差动参考源，直接LCD显示驱动（IC7106）和LED显示驱动；低功耗--典型值小于10mW；芯片集成基准时钟。

图3-5 ICL7107的引脚图及典型电路

图3-6 TC7107参数表

3、引脚介绍：V＋和V-分别为电源的正极和负极au-gu,aT-gT,aH-gH：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：

Fosl = 0.45/RC

COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。

TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。

VREF＋ VREF- ：基准电压正负端。

CREF：外接基准电容端。

INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件。

IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分

电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

工作原理:

1、双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。

2、它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。

3、时钟信号源的标准周期Tc 作为测量时间间隔的标准时间。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。

4、计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc 和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。

5、译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。

6、控制器的作用有三个：第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1" ，其余码全部熄灭。

7、钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED 。它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。

4 系统调试

1、对模拟输入电压进行了调试；

2、对TC7107的最高输入电压和VREF+和VREF-进行了调试；

3、对LED显示的调试；

4、对报警电路进行了调试。

4.1调试环境

1、仿真软件是Proteus, Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

2、丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

3、除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。

4.2硬件调试

1、在传感器信号输入端，模拟传感器的输入电压信号大小，就能看到仿真数字显示电路和报警电路相应的改变。；

图4-1 模拟输入电压调试电路

用于接AD的输入，调节RV1滑动变阻器，可以调节RV1下半部分的输出电压，可以通过与其连接的电压表显示当前电压，经过调试，可发现，滑动变阻器每变动1%，电压表数值变化0.5mv。与预期想要实现的目标相同。

2、VREF+,VREF-调试

图4-2VREF+,VREF-调试

如图（1）当给VREF+和VREF-之间一个100mv电压时，可得到如图（2）VIN+与VIN-之间最高输入电压为200mv,与实验目标需要的电压值相同，达到最初设计的目标值。

3、输入电压调式

图4-3 输入电压调试4、显示电路调试

图4-4 显示电路调试

5系统功能、指标参数

本系统主要通过TC7107AD数模转换器，酒精传感器，LED数码管，报警电路实现对外界酒精浓度的采集，显示和报警。

5.1系统能实现的功能

呼气式酒精检测仪是检测驾驶人员呼气中酒精含量的仪器。使用检测时，要求被测者口含吹管呼气，如果被测者深吸气后以中等力度呼气达3秒钟以上，呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量关系为：血液酒精浓度=呼气酒精浓度×2 200。高精度测试呼出酒精含量,最多可显示四位有效数字；检测速度加快，精准度高的好处；具有自动报警功能。

5.2系统指标参数测试

通过外界的酒精浓度，对此系统的LED数码管显示的数值是否同外界酒精浓度相同，以及超过20mg/ml时，报警电路是否报警进行了参数测试。

测试方法：预先设定一个酒精浓度，观察通过此电路酒精浓度是否在LED数码管上显示，并通过报警电路中的红灯的亮灭判断是否报警，亮则报警，灭则不报警。测试参数记录表如表5-1。

表5-1 报警系统参考表

5.3系统功能及指标参数分析

通过与设计要求进行对比，发现此系统基本达到设计要求，能对外界酒精浓度超过20mg/ml时进行报警，对外界酒精浓度没超过20mg/ml时，不报警。报警电路也可以通过一个电压比较器将输入的模拟电压和比较电压进行比较，再通过一个蜂鸣器进行报警，

也可以达到设计要求。