酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真报告.doc

目 录

第一章 绪 论 - 1 -
1.1 设计背景 - 1 -
1.2 设计目的 - 1 -
1.3 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等） - 1 -
1.4 设计工作任务及工作量的要求 - 2 -
第二章 酒精浓度传感器的设计 - 3 -
2.1 传感器的概述 - 3 -
2.2 传感器的选择 - 4 -
2.2.1 MQ-3酒精浓度传感器的特点 - 4 -
2.2.2 MQ-3工作原理简介 - 5 -
2.3 可靠性与抗干扰设计 - 6 -
第三章 酒精传感器信号调理电路的设计 - 7 -
3.1 设计思路综述 - 7 -
3.2 电压跟随器 - 7 -
3.3 减法器 - 8 -
3.4 比例放大电路 - 9 -
3.5 器件选型表 - 9 -
3.6 设计心得体会 - 10 -
第四章 仿真与PCB设计 - 11 -
4.1 信号调理电路仿真 - 11 -
4.2 PCB图 - 11 -
4.3 PROTUES图3D效果图 - 12 -
参考文献 - 13 -

第一章 绪 论

1.1 设计背景 
近年来，随着我国经济的发展，人民的生活水平提高，越来越多的人有了自己的车，而酒后驾车造成的交通事故也越来越多，国家也出台了一系列的法律法规，试图通过法律的手段遏制这一现象的进一步发展。介于人们对于醉驾的逐渐重视，酒精测试课题便更加受人关注。
酒驾引起的交通事故是由于司机饮酒过量造成酒精麻痹神经，使大脑反应迟钝，肢体不受控制的症状。酒后驾车发生事故的概率高达27%。随着摄入酒精量的增加，发生事故的几率也随之增加，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。汽车司机“酒后驾车”以及“醉酒驾车”都极易引发交通事故,严重危害了道路交通安全和人民生命财产安全。人饮酒后,酒精被消化系统吸收后,通过血液循环,大概90%的酒精通过呼吸排除体外,因此测量车内的酒精含量,就可判断其醉酒程度。开车司机只要进入车内，仪器就能根据空气中的酒精含量显示出酒精浓度的高低，从而判断该司机是否酒后驾车，然后通过控制发动机的启动来避免事故的发生。这样就可以从根本上解决酒后驾车问题。
1.2 设计目的
（1） 了解常用电子元器件基本知识（电阻、电容、电感、二极管、三极管、集成电路）；
（2） 了解印刷电路板的设计和制作过程；
（3） 掌握电子元器件选型的基本原理和方法；
（4） 了解电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧；
（5） 掌握pH值传感器信号调理电路的设计，并利用仿真软件进行电路的调试。
1.3 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）
选用酒精浓度传感器进行气体中酒精浓度测量，要求测量范围10-1000PPM、精度为5PPM。设计传感器的信号调理电路，实现以下要求：
（1） 设计信号调理将传感器输出0.2-1.4 V的信号转换为0-5V直流电压信号；

（2） 对信号调理电路中采用的具体元器件应有器件选型依据；
（3） 电路的设计应当考虑可靠性和抗干扰设计内容；
（4） 电路的基本工作原理应有一定说明；
（5） 电路应当在相应的仿真软件上进行仿真以验证电路可行性（不限制EDA软件类型）；
1.4 设计工作任务及工作量的要求
（1） 画出系统电路硬件原理图和PCB电路板图（含PCB图效果图）（不限制EDA软件类型）；
（2） 给出详细的元件选型表；
（3） 电路工作的基本原理和实现方法；
（4） 电路的可靠性设计和抗干扰性设计说明；

第二章 酒精浓度传感器的设计

2.1 传感器的概述
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。敏感元件指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
气敏传感器可用来测量气体的类型、浓度和成分，能把气体中的特定成分检测出来，并将成分参量转换成电信号的器件或装置。气敏传感器主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。声波器件表面的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。气敏传感器将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，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。气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的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。 由于气体种类繁多, 性质各不相同不可能用一种传感器检测所有类别的气体因此能实现气-电转换的传感器种类很多按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。

2.2 传感器的选择
本设计中的酒精气体传感器采用的MQ-3型,如图2-1所示，它属于MQ系列气敏元件

图2-1 Mq-3实物图
的一种。MQ-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。这种
传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ-3酒精传感器对乙醇蒸气有很高的灵敏度，并且响应和恢复快速。另外，MQ-3酒精传感器简单的驱动回路和可靠的稳定性是相比较于其他型号传感器的优点。MQ-3酒精传感器可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，也可用于其他场所乙醇蒸气的检测。
2.2.1 MQ-3酒精浓度传感器的特点  
（1）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；
（2）TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）；                  
（3）模拟量输出电压，浓度越高电压越高； 
（4）对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性； 
（5）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性； 
（6）快速的响应恢复特性；
（7）检测范围是10ppm-2000ppm 1ppm=1mg/kg=1mg/L=1×10-6 常用来表示气体浓度，或者溶液浓度。根据这个参数就可以在单片机里面将测得的模拟量电压值转换为浓度值。输出浓度和电压关系的比值趋于线性；
（8）MQ-3气体传感器对酒精的灵敏度高，可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰。这种

传感器可检测多种浓度酒精气氛，是一款适合多种应用的低成本传感器。

2.2.2 MQ-3工作原理简介
酒精传感器MQ-3的基本原理可简述为将探测到的酒精浓度转换成有用电信号的器件，并根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息。MQ-3型气敏传感器由陶瓷管和二氧化硅敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。 
气敏传感器的外观和相应的结构形式如图2-2所示，它是由微型氧化铝陶瓷管氧化锌敏感层，测量引脚电极和温度加热器组成。敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有六个管脚输出，其中四个用于信号的取出，二个用于提供加热的电流。
图中①、②、③分别表示MQ-3乙醇传感器的引脚排列图、引脚功能图、使用接线图。其中 H-H 表示加热极（5V），A-A、B-B传感器表示敏感元件的两个极，图③中框图中“V”为传感器的工作电压，同时也是加热的电压。
 在工作时，气敏传感器的加热电压选取交流或直流5V均可。当其被受热后，加温室环境中的可燃气体浓度迅速增大，传感器的内阻阻值将会迅速降低，利用该特性并结合电路分析中的分压原理，分析便得知输出的值将逐渐增大，当超过预设定的阈值时，可产生相应的操作。经过处理后检测信号由电阻值转变成电压值，就可用于后续电路进行信号
调理。

图2-2 酒精传感器的外观及结构形式
传感器的标准回路有两部分组成。其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面的电阻值变化。传感器表面电阻Rs的变化，是通过与其串联的负载电阻 RL 上的有效电压信号 URL输出获得的。二者之间的关系表述为：  
RS/RL=(V－URL)/URL (2-1)
其中，V为回路电压，电压为10V，负载电阻RL可调为 0.5—200KΩ。负载电阻RL可调，加热电压一般为5V。 传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系慎密，为了使测量的酒精浓度最高误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟。预热后半导体颗粒表面的吸附可导致材料载流子浓度发生相应变化，从而改变电导率，使传感器输出电压信号发生改变。
2.3 可靠性与抗干扰设计
系统可靠性设计的主要任务是：通过设计，基本实现系统的固有可靠性。该固有可靠性是系统所能达到的可靠性上限。所有的其他因素只能保证系统的实际可靠性尽可能地接近固有可靠性。可靠性设计的任务就是实现产品可靠性设计的目的，预测和预防产品所有可能发生的故障。也就是挖掘和确保产品潜在的隐患和薄弱环节，通过设计预防和设计改进，有效地消除隐患和薄弱环节，从而使产品符合规定的可靠性要求。也可以说可靠性设计一般有两种情况：一种是按照给定的目标要求进行设计，通常用于新产品的研制和开发；另一种是对现有定型产品的薄弱环节，应用可靠性的设计方法加以改进、提高，达到可靠性增长的目的。
可靠性设计的主要流程有如下几个方面：
（1）建立可靠性模型，进行可靠性指标的预计和分配。
（2）进行各种可靠性分析。诸如故障模式影响和危机度分析、故障树分析、热分析、容差分析等。
（3）采取各种有效的可靠性设计方法。
干扰问题是信号处理电路设计和使用过程中必须考虑的重要问题。在信号处理电路的工作环境中，存在大量的电磁信号，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；重者会引起控制系统死机或误动作。抗干扰技术就是研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免被干扰的措施等问题。在设计信号处理电路时，既要避免被外界干扰，也要考虑系统自身的内部相互干扰。

第三章 酒精传感器信号调理电路的设计

3.1 设计思路综述
首先应用一个减法器将信号处理为0-1.2V，然后经过跟随器隔离，然后放大成标准电
压信号0-5V。

图3-1 电路的总体设计图
电路原理介绍：本次设计目的为将酒精浓度传感器输出的0.2-1.4V的电压经调理电路输出0-5v，本截图的仿真为采用滑动变阻器分压方式模拟传感器的输出的电路。首先考虑到传感器的输出可能对信号调理电路有干扰，所以采用电压跟随器对传感器进行隔离，减小他们相互之间的影响，然后采用减法器将信号处理为0-1.2V，这样有便于后面电路的比例放大处理，然后，因后面的放大器与前面的放大器不同，相互会有影响，所以采用电压跟随器隔离，以提高精度和可靠性。最后把信号用比例放大电路按照100：418的比例放大，最后输出标准信号。

3.2 电压跟随器
在一个同相输入比例放大电路中，若将输出电压全部反馈到反相输入端，就可以构成一个电压跟随器。输出电压与输入电压的关系
UO=UI (3-1)

图3-1 电压跟随器
此电压跟随器由运算放大器OP37AP构成，可以起到隔离前后电路，降低电路元件之间互相的影响的作用，以至有效地降低电路整体的误差，提高电路的可靠性。运算放大器OP37AP是高精密度、噪声低的运算放大器，其输出失真较低，非常适合在此处使用，在此处使用可降低误差。
3.3 减法器

图3-2 减法电路
此处使用差分式减法电路来实现减法运算。差分式减法电路是利用一级运放实现减法运算的电路，进行运算的两个信号分别从运算放大器的正相和反相输入端送入，经过减法运算后从输出端输出。可以利用叠加定理求出输出电压与输入电压之间的关系，为
UO=（Rf/R）(U1-U2) (3-2)
式中，U1为正相输入端输入，U2为反相输入端输入，UO为运算放大器输出。在此图中（Rf/R）即为（R5/R4）。此电路中电阻均选择200KΩ电阻，因此输出电压即为两端输入电压之差。
减法电路可以有效地消除当酒精浓度传感器输出0.2V时输入电压不为0的影响，保证了后部输出可以达到要求的0-5V电压。此减法器同样使用精度较高的运算放大器OP37AP，在此电路中误差较小。
3.4 比例放大电路

图3-3 比例放大电路
信号调理电路中的比例放大电路使用同相输入比例运算电路，该电路属于电压串联负反馈电路，将输入电压加到运算放大器的同相输入端，电路输出电压与输入电压关系为
UO=（1+R2/R1）UI (3-3)
式中UO为电路输出电压，UI为电路输入电压，在此图中R2/R1即为R5/R6。经过调试，此处R5需选择20.3KΩ，R6选择64.2KΩ，此时运算放大器提供的放大倍率可以将输入电压0-1.2v按比例放大到要求，并且进行补偿，是的误差达到要求。
因为0-5v查除了之前所使用的op37ap的线性范围，所以，比例放大电路使用线性范围较广的lm324。此比例放大电路的运算放大器使用LM324运算放大器，LM324系列是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。在单电源应用中，它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。该四路放大器可以工作于低至3.0 V或高达32 V的电源电压，静态电流是MC1741的五分之一左右。共模输入范围包括负电源，因此在众多应用中无需外部偏置元器件。

3.5 器件选型表
在此酒精浓度传感器信号调理电路中，使用了电阻和运算放大器两类器件，具体选型如表4-1：
表4-1 器件选型表
器件类型
数量（个）
单价（元）
合计（元）
电阻
6个
0.02
0.12
OP37AP
3个
7
21
LM324
1个
2.5
2.5

该信号调理电路的元器件总计使用23.62元。

3.6 设计心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关酒精浓度传感器以及模拟电路设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了电路参数的识别和测试；熟悉了各种功能电路的应用；以及如何提高放大电路的性能等等，通过查询资料，也了解了酒精浓度传感器实现原理。

我认为，在这学期的课程设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。 回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

第四章 仿真与PCB设计

4.1 信号调理电路仿真
Proteus是一款具有很好仿真效果的仿真软件，使用proteus绘制仿真图可以得到清晰的仿真效果。使用proteus仿真得到如图4-1所示。

图4-1 电路仿真

4.2 PCB图
在绘制PCB板图之前，首先在proteus上绘制相应电路的电路原理图如图4-2所示。

图4-2电路原理图

完成原理图设计后，填写元件封装，绘制PCB图，并进行布线和调整，布线后的PCB图如图4-3所示。

图4-3 PCB图
4.3 PROTUES图3D效果图
Proteus具有绘制PCB图的3D效果图的功能，3D效果图具有清晰直观的优点，使用proteus绘制的PCB图的3D图如图4-4。

图4-4 PCB图的3D效果图

参考文献

[1] 徐德炳译，传感器的接口及信号调理电路，北京：国防工业出版社，1984年
[2] 刘宏，电子工艺实习，广州：华南理工大学出版社，2009年
[3] 俞雅珍，电子工艺技术，上海：复旦大学出版社，2007年
[4] 康华光，模拟电子技术，北京：高等教育出版社，2004年

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