酒精气体浓度测量仪测量通道设计

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1、信号变换综合设计 课程设计（论文）题目：酒精气体浓度测量仪测量通道设计课程设计（论文）任务及评语豐题目 课计文课程设计(论文)任务及处电m并 酒号测 大 及， 饮信检 放 1制 否等等 计 绘 是波長 设 仏聞 机減用 己 里ro 仙敕卄低 自 加fflp 驾i+5采f型J*沁 后设，曲 类 测睜 呻韋玮1器 眾 用感焊锂 传 ，術 覺牛电室 。f案数 装刊验 .，电加参 量a71可实 C供自 花R、 挪乜即M 要较羽仁 林no 旷 :法 体S电狈 弓使感 、一-K-合方盎调廿 气器的能总可敏 爱符有路、纠 酒传一板糯温电器 肿忍卄、焊紳 测输电技环控传 说对跖方路檢 计检；。1 )22冷说现

2、电不 设的路出 实行3. 量电输 路 的进 酒理压 电 体吐指导教师评语及成绩日 月: 年 vinT 亠库 扌 时 绩 平成目录目录1第 1 章 绪论 1第 2 章 总体设计 32.1 检测电路接法分析: 32.2 运算放大器基准接入及信号42.3 SR 锁存器记录有效信号52.4 LED 示警 6第 3 章 硬件电路设计 73.1酒精气体传感器 TGS822 桥式检测电路73.2运放LM324放大微弱电信号和基准比较73.3对比较后达到的信号锁存保留，促发LED点亮73.4 LED 显示73.5 参数计算8第 4 章 总结 9参考文献 10附录I总体电路图11附录II器件清单12第 1 章

3、绪论各行各业的工作，例如机动车驾驶员酗酒后开车以及从事危险工作行业的 人员酗酒后操作，都会造成严重的事故。用简便、准确、卫生的检测仪器进行 检测，及时发现并加以制止,促使每个人增强遵章守纪的意识，消除在饮酒方面 的安全隐患，对减少因酗酒造成的事故具有很大的意义。根据人呼出气体中乙 醇的含量来确定酗酒的标准，从医学角度是可行的。人体摄入乙醇越多，血液 中乙醇的溶解量就越大，从肺部呼出的气体中乙醇的含量就越高，这样如果有 一个利用呼吸出的气体检测乙醇含量也就是饮酒量的酒精气体浓度测量仪将会 对社会各方面的安全、特别是交通安全有切实可行的辅助作用，因此我们很有 必要设计一个酒精气体浓度检测仪,用在需

4、要控制饮酒等的地方。在众多安全隐患中 ,如果将乙醇气敏传感器应用于交通安全中 ,不仅能减少 驾车安全,也从根本上制止了因饮酒过量等发生的交通事故 ,不仅保护了饮酒人 员的安全,同时也为社会减少了资源浪费,如果能从根本上抑制住饮酒后驾车,我 们的个人及国家利益将能得到一定的保护,同时也具有很大的市场价值。在众多 材料的选择上尤以二氧化锡最为出众，二氧化锡（SnO2）具有较高的灵敏度、 且最高灵敏度对应的工作温度较低、电路简单、造价低廉、使用方便等特点。 基于薄膜工艺开发出了以硅基二氧化硅薄膜为感应薄膜的乙醇气敏传感器，为 制作出性能优良的传感器提供了一种好的思路。在介绍所选传感器之前，我们有必要

5、先了解下二氧化锡乙醇气敏传感器原 理。二氧化锡薄膜气敏传感器属表面控制型，其表面电阻变化决定于薄膜表面 吸附气体与半导体材料之间的电子变换。通常感应薄膜工作环境是空气，空气 中的氧电子兼容性较大，与半导体材料接触时吸附表面电子锁带的负电荷，使 N 型半导体材料的表面空间电荷区域的传导电子减少，导致薄膜表面电导下降， 于是薄膜表面处于高阻状态：1.1）式中：I：、为吸附负电荷的氧；e为氧束缚材料中的电子电荷；n为若干个 数。一旦感应薄膜与被测气体接触，被测气体就会与薄膜表面吸附的氧发生化 学反应。乙醇气敏传感器就是利用二氧化锡感应薄膜表面吸附乙醇气体后表面 电阻的变化来测试乙醇浓度的。其原理是当

6、 N 型的二氧化锡膜被加热到一定温 度后，其空穴中的电子将吸附在其表面的氧气分子变成带电状态，此时气敏薄膜的电阻发生相应变化，该过程可以用（1.2）表示：+ 20（1.2）经过该过程后二氧化锡薄膜才会对被测气体具有还原性敏感，通常将该过 程成为敏感化过程；当敏感化后的二氧化锡薄膜接触到乙醇气体时，乙醇气体 分子与SnO2表面带电的氧离子发生如下反应：（呼）如丹式日。卿* 2H.0（1.3）从式（1.3）中可以看出，反应结束后电子重新回到SnO2表面的空穴当中, 于是二氧化锡薄膜的表面电子再次发生变化，根据标定的数据可以推算乙醇气 体的浓度。针对于此，我们选用元件的原则主要考虑对酒精（乙醇）气体

7、敏感的传感 器，并且在较低浓度时就能有比较敏锐的反应，在了解较多生产酒精气体传感 器生产厂商的元器件性能后，本设计选用费加罗公司生产的酒精气体传感器 TGS822，它的主要性能参数如下：酒精测量范围： 50-5000ppm；灵敏度（电阻比）： 0.3-0.5；电路电压： 24V（DC/AC）；加热器电压:5V0.2V （DC/AC）。第 2 章 总体设计方案设计要求考虑到方方面面，本设计方案的重要思想如下：2.1 检测电路接法分析: 由邱关元所著的第五版电路中的电桥理论可知，使用电桥法作为测量 用时,相对的两个臂同时作为检测臂可以成倍提高测量的灵敏度。因此，为了提 高检测灵敏度，克服在低浓度范

8、围内ARs变化小的问题，可以使用气敏传感器 组成测量电桥，使用两只同型号的乙醇气敏传感器 TGS822 组成电桥的相对两 个臂，用这两个桥臂的变化同时检测气体浓度，当检测到乙醇气体时，两个臂 上的敏感元件可以同时变化，提高了检测灵敏度；对于电桥的另两个桥臂，若 采用普通电阻则当环境改变引起传感器电阻变化时，则传感器电阻和取样电阻 对电源的分压比例就会发生变化，从而引起误差;但是电桥的另两个桥臂也使用 同型号的气敏传感器组成补偿桥臂，则能在一定程度上消除这种误差,这样就能 达到即使是在低浓度的检测中也能有高的灵敏性,可以用电桥电路克服低浓度 范围内ARs变化小的问题。如图2.1为使用电桥法测量乙

9、醇气体浓度的电路原 理图。O1-AR-.O1图2.1电桥法测量乙醇气体浓度的电路原理图由电路原理可以得到：(Rl - A) + r -A/!a.-A7?)尸_二 片g-亠感）艰 出辄）+陆-山一帆）2.1)2.2)2.3)在低浓度范围内ARs Rs,取RL=Rs,则输出电压信号为:式中，ARU为理想情况下传感器在没有环境变化干扰情况下的电压 输出值;ARL为有环境变化影响条件下的电压输出值。2.2 运算放大器基准接入及信号信号放大部分本设计选用运算放大器LM324，器件主要特性如下。LM324 为四运放集成电路,采用 14 脚双列直插塑料封装,内部有四个运 算放大器，有相位补偿电路，电路功耗很

10、小，LM324工作电压范围宽，可用正 电源3V至30V或正负双电源1.5V至15V工作，它的输入电压可低到地电位, 而输出电压范围为0至Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互单独，它有 5 个引出脚，其中“+”、“-”为两个信 号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。LM324带有真差动输 入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，LM324可以工 作在低到 3.0V 或者高到 32V 的电源下正常工作，共模输入范围包括负电源， 因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的复杂性、输出电压范围也包 含负电源电压。14

11、13 12 11 10 S Sp-LM324b1I12345 G 7图 2.2 LM324 引脚图LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价 格低廉等优点，可以应用在反向交流放大器中、同向交流放大器中、交流信号 三分配放大器和比较器等各种电路应用中，其中典型应用的比较器放大电路如 图 2.3 所示：图 2.3 比较器放大电路把LM324用在设计中作为放大部分是完全可以胜任的，而且这里的LM324 还有另一个重要作用就是用它来调制基准电压，把基准值设定在方向端输入， 这样在检测信号达到同向端时可以根据数值的大小判定是同向放大还是反向放 大，如果测量值大于标准值，即代表

12、同向端有效，输出得到高电平，这样就能 驱动后面的各级完成电路的各自作用，如果是测量值小于标准值，即代表输出 的是与方向端同向，输出低电平，后部电路无动作。这样在由TGS822传感器检测到的乙醇浓度信号转化来的微弱电压信号就 在输入端选择放大成我们需要的电压信号等级，再把这个有用信号输送到下一 级，就完成了第二部分电路的比较放大功能，为第三部分的锁存服务。2.3 SR 锁存器记录有效信号由于检测到的电压信号时连续的时间信号，它的幅值是在时刻变化着的， 我们想要得到的是在呼出气体量中浓度的最大值，但是传感器检测到的最大值 时间很短，如果要求检测者在这短时间内观察被检者呼气方式是否正确、又要 观察读

13、数并读取最大值，眼睛会应接不暇，极易漏读、误读。本设计用 2个7400 与非门组成一个最基本的 SR 锁存器，对于由测量值与标准值的比较得到的输 出有用信号及时保存，这样在连续的检测过程中就能选择到在这个连续过程中 的输出最大值，并及时保存到锁存器中来，驱动第四部分的显示电路一直作用。用锁存器留住有用信号是在数字电子技术基础里面学习到的最简单 SR 锁存器，这样用我熟悉的知识构建设计电路，可以方便选择，不会造成误选器 件等人为误差；同时由于采用了锁存器保存有用信号，也从根本上减轻了操作 人员的工作量，而且不会由操作人的人为误差对结构造成影响，达到了保存信 号的设计要求。2.4 LED 示警示警

14、部分选用发光二极管显示，输入信号来自由 7400 组成的锁相器输出 端，在来自锁相器的信号为高电平时，发光二极管接受到的信号能使LED灯泡 点亮，如果输出为低电平，也就是说被检测气体中乙醇浓度没有超标，比较放 大输入为反向端有效，输出信号被置成低电平，锁相器未动作，由锁相器输出 的是未被保存的低电平信号，没能让LED灯泡点亮，这样就完成了设计的全过 程。如果想要测定在不同浓度段的不同指示，可以选用多个比较放大部分，即 设定多个电压变化基准，这些变化基准各自有自己的后续电路，这样就能在一 次检测中标定在浓度方面的更加精确地范围，在不同的浓度范围做不同的信号 指示，使得应用更加广泛。第 3 章 硬

15、件电路设计硬件电路设计遵循第二章方案论证原则,前后衔接部分分别叙述如下（总体 电路图见附录I）。3.1酒精气体传感器TGS822桥式检测电路四个酒精气体浓度传感器TGS822组成全桥电路，如图第二章的图2.1 样, 同样的连接方式一样的检测方法,达到了在图解上对方案的进一步论证 ,保证了 很设计的可行性。3.2运放LM324放大微弱电信号和基准比较本设计共用了 3个LM324运算放大器，用其中的一个作为基准电压标量值, 其他两个在这个标量值的对比下经放大器输出，也就是这两个运放实行比较放 大信号输出，如果是大于由滑动电阻决定的基准电压则输出正值的电压信号， 这时就可以驱动锁存器锁住放大信号并使LED灯点亮，如果是小于基准电压即 表示由传感器输出的电压未超标，显示部分不示警。而且之所以用两个LM324 做为与基准的比较，就是要表征放大信号的两个部分，归结为浓度关系就是不 同的酒精浓度引起不同的电压变化，依据本设计在一次测量中就可以表征不同 的酒精含量，如果用在对酒后驾车人的检测，就可以表示被测人的饮酒量多少， 依据这个思路还可以设定多个测量值，对饮酒量的多少深度的指示，这样就达 到了表征气体浓度的重要作用，完成了设计的基本部分。3.3对比较后达到的