傳感器課程設計-酒精檢測報警

PAGEPAGE9一、課程設計的性質(zhì)傳感器課程設計是測控技術與儀器專業(yè)開設的一門獨立實踐課程，也是電氣工程及自動化專業(yè)的選修課程。本課程以各類傳感器的性能測試、實際應用設計為線索，完成磁敏傳感器、溫度傳感器、光電傳感器、應變傳感器、電感傳感器、電容傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、智能傳感器等基本型、設計性和綜合性實驗與設計內(nèi)容，通過課內(nèi)和課外相結合，自主申請實驗項目和實驗室開放課題相結合，使學生掌握不同種類傳感器的使用方法和設計要點的基本技能，加深學生對“傳感器原理及檢測技術”理論知識的理解，為從事儀器系統(tǒng)開發(fā)與設計打下基礎。二、課程設計的目的與任務1、實驗目的通過酒精報警裝置的設計、安裝和調(diào)試，要求學會：（1）傳感器、電阻、電容、555定時器來設計有害氣體報警電路；（2）掌握有害氣體報警電路的工作原理及測試方法。2、設計任務設計一個酒精的檢測電路，能檢測到室內(nèi)或相應環(huán)境的酒精濃度超標現(xiàn)象，并進行及時報警。三、課程設計要求1、設計要求本課題主要完成以下幾個部分的設計：①信號采集及處理電路：由氣敏傳感器及附屬電路組成。傳感器將空氣中的酒精濃度變化轉(zhuǎn)換為其本身阻值的變化，從而利于后面的電路處理。③聲光報警電路：在酒精濃度超標時，電路產(chǎn)生相應的紅色警告信號，同時驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生音頻信號，提醒人們空氣中的酒精濃度已超出允許范圍，應及時撤離現(xiàn)場；在空氣潔凈時，電路應以不同的燈光提示，表明安全。四、課程設計內(nèi)容1）基本原理1、基本框圖圖1基本框圖2、工作原理（1）直流電源由4節(jié)1.5V干電池供電（2）信號采集及處理電路信號采集電路包括氣體檢測電路及對傳感器輸出信號的處理電路。氣體檢測電路需要用氣體傳感器，將被檢測對象中含的氣體的濃度變?yōu)閭鞲衅鞯碾娦盘栞敵?，以利于后面的信號處理電路進行處理。A、氣敏傳感器按構成氣敏元件的材料劃分為半導體和非半導體氣敏元件兩大類，而半導體型又分為電阻型和非電阻型兩類。電阻型半導體氣敏元件是用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制作而成，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。非電阻式半導體氣敏元件是根據(jù)氣體的吸附和反應，使其某些有關特性變化對氣體進行直接或間接檢測。B、電阻型半導體氣敏元件的工作原理：電阻型半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體（主要是金屬氧化物）表面接觸時的電導率等物性的變化來檢測氣體。電阻型半導體氣敏器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)下，當氣體接觸器件表面而被吸附時，吸附分子首先在表面自由地擴散（物理吸附），失去其運動能量，其間的一部分分子蒸發(fā)，殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定吸附處（化學吸附）。這時，如果器件的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子從器件奪取電子而變成負離子吸附。具有負離子吸附傾向的氣體有O2和NO2，稱為氧化性氣體或電子接收性氣體。如果器件的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放電子，而成為正離子吸附。具有這種正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和酒類等，稱為還原性氣體或電子供給氣體。當氧化性氣體吸附到N型半導體上，還原性氣體吸附到P型半導體上時，將使載流子減少，而使電阻增大；相反當還原性氣體吸附到N型半導體上，氧化性氣體吸附到P型半導體上時，將使載流子增多，使電阻下降?？諝庵械难醭煞执篌w上是恒定的，因而氧氣的吸附也是恒定的，氣敏器件的阻值大致保持不變。如果被測氣體流入這氣氛中，器件表面將產(chǎn)生吸附作用，器件的阻值將隨氣體濃度而變化，從濃度與阻值的變化關系，即可得知被測氣體的濃度。主要物理特性類型氣敏元件檢測氣體電阻型電阻表面控制型SnO2、ZnO等的燒結體、薄膜、厚膜可燃性氣體體控制型La1-xSrCoO3、T-Fe2O3、氧化鈦酒精、可燃性氣體、氧氣非電阻型二極管整流特性表面控制型鉑-硫化鎘、鉑-氧化鈦（金屬-半導體結型二極管）氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵、鈀柵M0S場效應管氫氣、硫化氫表1氣敏傳感器的類型C、MQ-3氣敏傳感器特性氣體：酒精（乙醇）探測范圍：10～1000ppm酒精特征氣體：125ppm酒精靈敏度：Rinair/Rintypicalgas≥5敏感體電阻：1～20KΩinair空氣中響應時間：≤10s（70%Response）恢復時間：≤30s（70%Response）加熱電阻：31Ω±3Ω加熱電流：≤180mA加熱電壓：5.0V±0.2V加熱功率：≤900mW測量電壓：≤24V工作條件：環(huán)境溫度：-20℃～+55℃濕度：≤95%RH環(huán)境含氧量：21%貯存條件：溫度:-20℃～+70℃濕度:≤70%RH（3）觸發(fā)電路觸發(fā)電路作用就是用555組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，由其輸入狀態(tài)改變輸出狀態(tài)，觸發(fā)后續(xù)的執(zhí)行電路。555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙地結合在同一硅片上的組合集成電路。它設計新穎，構思巧妙，因其內(nèi)部含有電壓比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電電路及驅(qū)動電路等，輔以適當外圍分立元件后，被廣泛應用于單穩(wěn)態(tài)電路、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器、幅度鑒別器、波形發(fā)生器、延時發(fā)生器、定時器及電壓-頻率變換電路等，用途十分廣泛。圖2555管腳圖圖3555內(nèi)部原理圖④腳⑥腳②腳③腳⑦腳0XX0導通（0）1110導通（0）1001截止（1）101原態(tài)原態(tài)110不定（禁止）不定（禁止）表2555芯片邏輯功能表B、555觸發(fā)電路圖圖4555觸發(fā)電路圖當空氣潔凈時，因氣敏傳感器電阻大，R3和R4分壓小，555輸入為低電平，即V2和V6都為低電平，由功能表可知：V3為高電平，即NE555置位，D2(LED，紅）不工作；此時D1（LED，綠）通過電阻R4導通而發(fā)光。當空氣中存在有害氣體時，因氣敏傳感器電阻變小（約為466）而使R3和R4分壓值增大，555輸入高電平，故V2和V6同時為高電平，且復位端電壓V4也為高電平，由功能表可知：V3為低電平（V3相當接近0V）,D2（LED，紅）導通發(fā)光。（4）聲光報警電路該報警電路由發(fā)光二極管（紅）、揚聲器及其附屬電路組成圖5聲光報警電路當555輸出低電平時發(fā)光二極管導通，發(fā)出亮光。NPN型三極管正向偏置進行放大，揚聲器發(fā)出聲音報警。當555輸出高電平時發(fā)光二極管正向電壓低于負向電壓，截至，三極管反向偏置無放大作用，揚聲器不發(fā)出聲音。（5）溫度補償電路當環(huán)境溫度降低時，則負溫度系數(shù)熱敏電阻Rt的阻值增大，使相應的輸出電壓得到補償。圖6溫度補償電路3、整機電路圖圖7整機電路圖五、課程設計總結為期一周的課程設計結束了，收獲頗多。課程設計是鍛煉人自學能力、提高動手能力的重要環(huán)節(jié)、在進行課程設計之前老師把題目提前布置下來，讓我們熟悉一下題目，發(fā)下題目后大體看了一下都需要用protel進行繪制電路圖而在此之前卻沒有接觸過protel這款軟件，也就是說要自學，在這短短的幾天之內(nèi)是一個不小的挑戰(zhàn)。仔細的看過題目之后最終選擇了酒精報警裝置，確定題目后就要開始著手進行設計，由于不是很了解就需要查找很多資料，查找資料是一個非常麻煩的事情，通常要基本書一起找，在查找資料的過程中提高了我查找、整合資料的能力。在找好資料后就要開始進行設計確定傳感器的型號、參數(shù)及整個電路用到的各個元件，然后就要在protel中畫原理圖，由于之前沒有學過protel相當于邊學邊畫，經(jīng)過這幾天的努力掌握了protel的基本功能，學會了畫原理圖如何生成網(wǎng)絡報表、元件清單以及電路圖的電氣測試。總之，這次的課程設計使我受益匪淺，增強了自己的動手能力學到了課堂上學不到的東西，是自己各方面的能力都有所提升。六、參考文獻1.程德福，王君，凌振寶，