酒精检测报警器课程设计

淮阴工学院

课程设计课程名称：测试技术与传感器课程设计题目：酒精检测报警器的设计

学院：机械工程学院

专业班次：机械电子2012级

姓名：周雨

指导教师：路连、高荣

学期：2014~2015学年第二学期日期：2015.6.26

酒精检测报警器

内容提要：

近年来，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。少量饮酒并不会有上述症状，即人体内酒精浓度比较低时，而人体内酒精超过某一个值时就会引起危险。为了减少此类事故的发生，设计了一种车载式的具有酒精度检测报警功能的仪器，该仪器能够检测出驾驶员是否饮酒超标。驾驶员只要将嘴对着传感器吹气，仪器上就能显示出驾驶员血液中酒精浓度的高低，同时根据检测到酒精浓度是否超标进行自主判断，能够控制汽车点火装置电源电路，使饮酒驾驶员无法启动汽车，引起驾驶员和人们注意，并在四小时之内任何人无法启动汽车，让驾驶员留下深刻印象，下次不再过量饮酒。这样就可从根本上解决酒后驾车问题。而且本仪器成本比较低，实现和使用更加简单、可靠，能够更为普遍的控制酒后驾车现象的发生。

关键词：气敏传感器；酒精传感器；声光报警器

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 课题意义 (1)

第二章气敏传感器的设计 (2)

2.1 传感器的定义 (2)

2.2 气敏传感器的定义 (2)

2.3 气敏传感器的分类 (3)

2.4 气敏传感器的选择 (3)

2.4.1 气敏元件的原理 (3)

2.4.2 气敏元件的参数 (6)

第三章总体方案设计 (7)

3.1 设计要求 (7)

3.2 系统整体框架 (7)

3.3 总电路的设计 (8)

3.4 总电路的组成 (9)

3.4.1 电源部分 (9)

3.4.2 酒精检测电路 (9)

3.4.3 声音、发光二极管报警电路 (10)

3.4.4 自动控制部分 (11)

3.4.5 集成芯片功率开关 (11)

结论 (12)

参考文献 (12)

附录 (13)

第一章绪论

1.1 课题背景

生命安全问题一直是人类高度关注的问题。对人类生命安全造成威胁的因素有很多，其中，酒后驾车就是一个非常重要的威胁因素。酒后驾车造成交通事故不计其数，带来巨大危害。据统计，全国发生的交通事故中，50%~60%是由酒后驾车引发的，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。酒后驾车造成的交通事故对国家、他人、自己产生了难以估计的后果。酒后驾车问题如何解决，每个国家都在努力寻找办法。

目前，几乎所有国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量驾驶员驾驶时血液中酒精含量是否超标。现在市场上警用酒精测试仪种类繁多，随着传感器、单片机等技术的发展，酒精检测仪的功能越来越强、灵敏度越来越高，它能有效协助交警定点抽查驾驶员是否饮酒，但是由于抽查实施面狭窄，因此无法很好的对酒后驾车进行控制。

1.2 课题意义

为了能防患于未然，将交通事故扼杀在萌芽状态。同时，给交通管理部门减轻工作压力，提供科学的管理手段，本课题设计了一种车载酒精检测报警器，该仪器安装在汽车上，不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车，即确保了司机的安全，又能减少交警等人员的工作量。

第二章气敏传感器的设计

2.1 传感器的定义

什么叫传感器？从广义上讲，传感器就是能够感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。简单的说传感器是将外界信号转换成电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知原件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为：

①物理类：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应

②化学类：基于化学反应的原理

③生物类：基于醇、抗体和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。本设计中将要用到上面所说的十大类中的气敏元件。

2.2 气敏传感器的定义

气敏传感器就是能够感知环境中气体成分及其浓度的一种敏感器件，它将气体种类及其浓度的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中的存在情况的有关信息，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。

气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场的温度、湿度变化一般较大，且存在大量粉尘、烟雾等，所以其工作条件恶劣，而且气体会与传感器元件的材料产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差，所以对气敏传感器的性能必须满足下列要求：

①对被测气体具有较高的灵敏度，能够有效地检测允许范围内的气体浓度并能及时给出报警、显示与控制信号；

②对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；

③性能稳定、重复性好；

④动态特性好，对检测信号相应迅速；

⑤使用寿命长；

⑥制造成本低，使用与维护方便等。

2.3 气敏传感器的分类

由于被测气体的种类繁多，性质不相同，不可能用一种传感器来检测所有的气体，所以气敏传感器的种类也很多。气敏传感器按工作原理可分为半导体式气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器等不同类型。从材料、结构和应用范围来看，目前仍以半导体气敏传感器居多，这类传感器一般粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便的优点。但近年以氧化锆陶瓷材料为中心的离子导电性气敏传感器发展十分迅速，并成为发展新型传感器的一个研究热点。

2.4 气敏传感器的选择

2.4.1 气敏元件的原理

QM系列气敏传感器是以复合金属氧化物为主体材料的N型半导体气敏元气件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。

当气体吸附到半导体气敏元件表面时，元件的电阻发生变化。即气敏元件被加热到稳定状态后，被检测的气体接触元件的表面而被吸附，吸附分子在元件的表面上自由扩散（物理吸附），失去其运动能量。一部分气体分子被蒸发；另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。

如果N型半导体的功函数大于气体吸附分子的离解能，气体的吸附分子将向半导体释放出电子，而成为正离子吸附（带正电荷）。供给半导体的电子将束缚半导体本身的自由电荷中的少数电荷——空穴。因此，在导带上参与导电的自由电子的复合减少，从而表现出自由电子数增加，半导体元件的阻值减少。

具有这种正离子吸附的气体称为还原性气体，如H2、CO、碳氢化合物和酒类等。

如果半导体的功函数小于气体吸附分子的亲和力，则吸附分子将从半导体夺取电子而成为负离子吸附。

具有负离子吸附的气体称为氧化性气体，如O2、NOX等。负离子吸附的气体因为夺取了半导体的电子，而将空穴交给半导体，使导带的自由电子数目减少，因此元件的电阻值增大。

其工作原理流程如图可知：

图1 工作原理流程解释图

该图示出了气体接触到N 型半导体时所引起的元件阻值变化情况；由于空气中的氧分压大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的。当处于空气中的元件的阻值保持不变时，如果被测气体流入这种气氛中，元件表面将产生吸附作用，元件的阻值将随气体的性质与浓度而变化，通过测量电路（如电桥电路）就可测出其浓度。

对P 型半导体气敏元件，情况则相反，氧化性气体使其电阻减少，还原性气体使其电阻增大。

在系统中，数据处理部分是系统程序正常运作的主要环节。数据处理中有浓度函数，此函数的准确性关系到下面四个模块的准确性。由于这次设计中我们采用的是传感器厂家自带的浓度函数曲线进行浓度调试，由于气敏传感器的实际浓度曲线为非线性如图，因此设计中我们可以采用线性插值法和二次曲线插值法进行函数的编写。

图2 浓度曲线

气敏 元件

被检测气体

产生 吸

半导体功函数大于

吸附分子离解能

半导体功函数小于

吸附分子亲和力

半导体 自由电子

半导体 自由电子

电阻

电阻

（正离子吸附）

（负离子吸

附）

我们可以把该曲线按一定要求分成若干段，在此设分成n段,然后把相邻两段点之间的曲线用直线近似，这样可以利用线性方法求出输入电压值x所对应的浓度值，这就是线性插值法。设输入值在（X i

，X i+1）之间,则其对应的浓度值y 可由下式求得：

简化后得：错误！未找到引用源。式中：K i为第i段(1)

直线的斜率错误！未找到引用源。

若传感器的输入和输出之间的特性曲线的斜率变化很大，采用线性插值法误差就很大，这时可采用二次曲线插值法，即通过曲线上3个点A（x0、y0）,B(x1、y1),C(x2、y2) 做一抛物线，用此曲线代替原来的曲线,如图2所示。曲线方程为一元二次方程，一般形式为：

y=K0+K1X+K2X2

式中 K0

，K1，K2为待定系数，可用曲线y=f(x)的3个点A,B,C的二元一次方程组求解,这就需要解联立方程组,计算较复杂,列出的程序也较复杂，因此可以用另外一种型式：

错误！未找到引用源。（1）

式中m0，m1，m2根据A、B、C三点很容易求出。

当x=x0时，y=y0代入（1）式可得m0=y0

又根据式x=x1时y=y1

可知：错误！未找到引用源。

把错误！未找到引用源。和m1代入式（1）得：

错误！未找到引用源。（2）

把x=x2，y=y2错误！未找到引用源。代入（2）式得：

由此可见，利用3个已知点A,B,C的数值求出系数m0,m1,m2后，存放在相应的内存单元，然后根据某点的x值代入式（1）即可求出被测值y。

虽然二次曲线插值法的精度高，但其数学模型和算法较复杂，在程序中较复杂。因此在本系统中我们采用的是线性插值法，因为线性插值法中可知,只要n 取得足够大就可获得良好的精度，而且程序较简单。本设计使用一种性能稳定、抗干扰能力强的酒精传感器QM-NJ9 。

2.4.2 气敏元件的参数

QM-NJ9的特点：专用于酒精等有机液体蒸气的检测，对汽油蒸气有抗干扰能力，而且灵敏度高，响应速度好，寿命长，工作稳定可靠。

其主要参数为：

表1 QM-NJ9气敏原件主要技术参数

符号参数名称技术条件

V 加热电压AC或DC 5+0.2V或5-0.2V

Vc 回路电压最大24VDC

RL 负载电阻4K

Ra 清洁空气中的电阻≦2000k

S 灵敏度≧5（在100ppmC 2 H 5 OH）

D 分辨率≧3（在100ppmC汽油蒸汽中）

tres 响应时间≦10s

tres c 恢复时间≦30s

元件功耗≦0.7w

检测范围50～5000ppm

抗干扰能力：在相对湿度《95%RH、汽油浓度《1000×10-6e及在湿度《95%RH、烟雾透光率《5%条件下，应无虚报发生：环境温度为-20℃～+50℃。

第三章总体方案设计

3.1 设计要求

在本次设计中，要求所设计的简易酒精浓度检测报警器在检测到酒精浓度超过允许值后能自动声音报警提示死机停车，而且还能够强制汽车发动机熄火。

3.2 系统整体框架

为了让报警器成为具备准确、快速的检测到气体信息，并采取自动处理措施的控制系统。将检测报警器分为以下几大组成部分；电源部分、气体检测电路、开关电路控制电路、声音报警电路、自动控制熄火电路。系统框图如下：

图3 系统框图

整个电路采用12V 蓄电池供电。QM-NJ9的灯丝电压要求为5V 0.5V ，应用稳压电源电路供电。调试前，应开机预热4min 左右。在驾驶室内稍有酒气调节Rp1，使RP1中抽点电压在1.4V 左右，接近TWH8751的开启电压即可。若酒精浓度再增加，则导通。LED1采用普通绿色￠3mm 发光二极管；LED2，LED3采用高亮度￠5mm 红色发光二极管；R1～R6采用RTX-1/8W 型碳膜电阻器；RP1采用WSW 型有机实心微调可变电阻器；C!,C2采用CD11-25V 型电解电容器；C3选用CT1型瓷介电容器；K1选用JRX-13F ，DC12V 的小型小功率继电器；Bell 采用YD-571型（8Ω）电动式扬声器；DW!，DW2分别采用0.25W 的稳压 二极管2CW53（5V ）和2CW52（4.5V ）。

3.3 总电路的设计

系统电路主要由开关电路IC1（TWH8751）、语音报警电路IC2（SR8808）、功放电路、及QM-NJ9型酒精传感器、继电器K 等组成。Bell 时1W ，8欧姆的小型扬声器。 其控制电路原理图如图4所示：

气体检测模块

电

源

模

块

开关 电路 控制

模块

L E D 发 光

模

块

自

动控 制

模

块

声音报 警

模

块

图4 酒精检测报警控制器电路原理图

图4给出酒精检测报警控制器电路原理图。图中三端稳压器7805将传感器的加热电压稳定在5V 0.2V，保证该传感器工作稳定性和具有高的灵敏度。当酒精气敏元件接触到酒精味后，B点电压升高，且升高值随检测到的酒精浓度增大而升高，当该电压达到1.6V时，使IC2导通，语音报警电路IC3和功率放大IC4组成语言声光报警器，IC3得电后即输出连续不断的“酒后别开车”的语音报警声，经C6输出到IC4放大后，由扬声器发出响亮的报警声，并驱动LED闪光报警。同时继电器J动作，其常闭触点断开切断点火电路，强制发动机熄火。

该电路的消耗功率小于0.75W，响应时间小于10s，恢复时间小于60s，适合-200℃~+50℃的环境条件。测试前应接通电源，预热5min~10min，待其工作稳定后测一下A、B之间的电阻，看其在洁净空气中的阻值和含有酒精空气中的阻值差别是否明显，一般要求越大越好。全部元件装好后，应开机3min~5min，然后调节电位器R p，使报警器处于报警临界状态，再将低于39度的白酒接近探

头，此时应发出声光报警，否则应重新调试。

3.4 总电路的组成

3.4.1 电源部分

图5 电源部分电路

该电路是安装在汽车上，故可以使用车上的12V蓄电池电源，在电路接通后会有LED灯亮，提示酒精浓度监测电路已经开始工作。

3.4.2 酒精检测电路

图6 酒精检测电路

A到B之间的为加热电阻，为气敏元件提供必要的工作温度的加热电路的电

阻，称为加热电阻，气敏元件一般工作在200℃以上高温。气敏元件正常工作所需的加热电路功率一般在0.5~2.0w范围。A与B为气敏元件，其电阻值在常温洁净空气中为103~105范围，当空气中其他浓度发生变化时，气敏元件的电阻值将会改变，从而激发开关器件动作。

3.4.3 声音、发光二极管报警电路

图7 声、光报警电路

音频板块是由音频电路和扬声器都成。音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。电路接通时将通过发光二极管（LED）闪亮以及扬声器来实现灯光报警。

该部分选用存储有语音提示信号的SR8808型集成语音芯片，当此部分接通电源时语音信号经过三极管放大电路使扬声器发出设计时事先录制好的声音，提醒驾驶员不要酒后驾车，同时红色高亮三极管开始闪烁，实现光电报警。

3.4.4 自动控制部分

图8 自动控制熄火电路

自动控制，就是当检测到车内酒精浓度超标时，系统能够自动使发动机熄火，防止事故的发生。

3.4.5 集成芯片功率开关

此开关是衔接气敏检测电路与后续工作电路（声、光报警电路和自动熄火电路）的一个桥梁，控制着后续电路的工作状态。此功率开关选用TWH8751型电控开关，有5个引脚，分别是输入，输出，选通，以及电源和接地，其启动电压为1.5V，当达到启动电压时内部开关闭合，压降仅为0.5V。能够保证后续电路正常工作。发挥自动通断作用。

针对醉酒驾驶和现如今交警普遍使用的手持式酒精测试仪，结合汽车的特点，设计出这款“酒精检测报警器”，通过检测酒精浓度实现对点火系统的控制，从实际上达到防止醉酒驾驶的目的。

酒后驾车不但危害自身的安全，也会对其他人造成严重的伤害，从而造成人、财大量损失。为了防止驾驶员酒后驾车，所以就必须设计出一种防止酒后驾车的东西，所以本次设计主要是能够在检测到酒精气味的时候就能及时的报警，并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。

本系统设计从电源部分到传感器部分再到报警部分等的每一部分都做了详细的介绍，也都将其工作原理以及原理图做了详细的分析，通过本次设计酒精报警器能够实现它的功能即：当气敏传感器检测到酒精气味的时候就会促使报警器立即发出连续不断的“酒后别开车”的语音报警声，并切断车辆的点火电路，强制车辆熄火。

参考文献

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[9] 姜维.实用电子系统设计基础[M].北京：北京理工大学出版社，2008

[10] 潘新民，刘清，李利华.论道路交通事故与驾驶员血中酒精含量的关系[J].中国司法鉴定，2006

所用元件清单见表2：

表2 元件清单表

类型标识符数量值类型标识符数量值电容C1 1 470μ发光二极管LED 1

电容C2 1 100μ发光二极管LED 1

电容C3 1 51p 发光二极管LED 1

电源GB 1 12V 稳压二极管DW1 1

电阻R1 1 750Ω稳压二极管DW2 1

电阻R2 1 360Ω二极管VD1 1

电阻R3 1 1K 二极管VD2 1

电阻R4 1 470Ω继电器K 1

电阻R5 1 330K 滑动变阻器RP1 1 5.1k 电阻R6 1 1K 扬声器bell 1 8Ω三极管VT1 1 酒精传感器QM-NJ9 1

三极管VT2 1 开关器件TWH8751 1