课程设计：便携式酒精探测仪的设计.doc

平顶山工业职业技术学院

便携式酒精探测仪
设计说明书

姓名：田明顺
学院：平职学院
专业：电气自动化
班级：对口（二）班
学号：20102003853

目录

一、设计背景 3
二、方案设计 3
2.1 酒精探测仪设计的基本原理 3
2.2电路设计 3
2.2.1 检测电路 4
2.2.2 控制电路 4
2.2.3 比较电路 4
2.3.4 输出电路 5
三、电路调试 5
3.1 MQ-2气敏传感器电路调试 5
3.2 LM358电压比较电路调试 6
3.3总体电路调试 8
四、总结 9

一、设计背景
本酒精探测器是专门为警察设计的一款执法的检测工具，执勤民警可用其来对司机是否饮酒进行检测与相应的处理，有效减少交通事故的发生，避免人员伤亡和财产的重大损失。
设计的基于运算放大系列的LM358的酒精探测仪，以LM358和MQ-2酒精传感器为核心，具有报警功能。根据是否有酒精的环境下，检测到酒精就会进行报警，提示危害。该仪器硬件电路设计简单、功能完善、工作性能好，此外，还具有低功耗、低成本的特点。

二、方案设计
2.1 酒精探测仪设计的基本原理
在本设计中酒精探测仪的基本原理是根据MQ-2气敏传感器对酒精的敏感程度，未接触到酒精时，其阻值较大，当接触到酒精后，其电阻急剧变小，根据这一特性，设计相应的控制电路，通过电压比较器，当输出为高电平是，LED亮，相当于一个报警的作用。该设计的系统方框图如图1所示，设计的电路见附录一，其中包括参考电压电路，检测电路，电压比较电路和输出电路。

电压
比较
器
MQ-2气
敏传感器

参考
电压
电路
酒精

报警

高电平

图1 酒精探测仪的基本原理方框图

2.2电路设计
2.2.1 检测电路
图2 酒精检测电路电路
检测电路顾名思义就是检测酒精的，电路图如图2所示。该部分的主要部分就是通过比较a点的电压不一样，原理是当接通+5V电源之后，在初始状态时，A与B之间的电阻很大，所以a点的电压会大于2.5V，当传感器感应到酒精时，A与B之间的电阻会急剧变小，并且小于10K的变阻器，这个时候，a点的电压会下降到2.5V以下。通过传感器A、B之间的电阻变化可以得到a点电压的变化。
2.2.2 控制电路
该部分电路的设计主要是为了得到一个稳定且大于零的参考电压Ur，电路图如图3所示。接通+5V的电压，R1=R2，所以b点的电压会等于2.5V。这个电压会比较恒定，可以作为参考电压。
图3 控制电路
2.2.3 比较电路
该部分电路图是通过LM358来实现的，电路图如图4所示。通过比较UI与UR的电压大小，决定输出端为高电平还是低电平。其传输特性如图5所示。即当UI<UR时，输出端为高电平，当UI>UR时，输出端为低电平。

图5 电压比较器传输特性
图4 电压比较电路

路

2.3.4 输出电路
该部分电路为报警电路，在图4电压比较器的输出端接上一个LED，当输出为高电平，LED亮，即报警。当输出为低电平时LED不亮，即为正常状态。

三、电路调试
3.1 MQ-2气敏传感器电路调试
酒精探测仪采用的传感器是MQ-2气体传感器。它的特点是不仅探测范围广泛，并且灵敏度高，响应快，恢复也快。优异的稳定性，寿命也长。可应用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜液化气，丙烷，丁烷，甲烷，酒精，氢气烟雾等的探测。
MQ-2气体传感器的引脚图如图6所示。其中A、B用于信号取出，H则是接电源的正负极，用于提供加热电源，该传感器在使用前应预热。

图7 传感器调试电路
图6 MQ-2引脚图

A与B之间的电阻在常态下通常阻止很大，但是当接触到酒精之后，A、B之间的电阻会急剧变小。这就是这种传感器利用这一性质来检测是否有酒精或其他气体。
根据这一特性，用万用表测得MQ-2气敏传感器在平时状态下，其A-B间阻值为20多千欧，适当调整可变电阻RP的阻值，大约取值为9K多，在通有5V电压情况下，测得a点电压UI的电压大于2.5V。当用酒精靠近气敏元件时，测得a点电压小于2.5V，因此，该气敏元件是好的，传感器调试电路也是成功的。

3.2 LM358电压比较电路调试
图8 LM358引脚图
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。其引脚图如图8所示。
图9比较电路是通过以LM358引脚3的电压为参考电压UR=2.5V。LM358引脚2的电压为比较电压UI。在图中可以看出引脚3的电压大于2.5V，所以引脚1输出应为低电平。其中R4可以模拟成初始状态的气敏传感器MQ-2，相对与R3来说电阻较大，可以得出引脚3的电压大于2.5V。
根据MQ-2的性质，当接触到酒精之后，其A、B之间的电阻急剧变小，由这一特性又可以模拟电路，如图10所示。即引脚2的电压还为2.5V作为参考电压UR。A、B之间的电阻模拟R4=2K，R3=10K，这样以来，引脚3的电阻UI小于2.5V，即UI<UR，输出端1输出高电平。同时，该部分电路调试连接了LED，因发光二极管具有单向导通的特性，当其输出为低电平的时候，二极管不亮，而当输出为高电平时，二极管亮。

图9 LM358模拟初始状态电路

图10 LM358模拟酒精状态电路

模图10 LM358模拟酒精状态电路

拟了初始状态下，当接通+5V电源后，测得引脚3的电压为2.5V，依然作为参考电压UR，测得引脚2的电压为3.9V左右，输出端引脚1的电压为0.6V左右。这些数值都符合理论值，并且发现LED不亮，证明这部分的电路的设计应该是没有问题，接着就模拟当接触到酒精之后LED的变化情况。 但是情况出现了，不管我怎么调试，发光二极管就是不亮。于是，我就耐心地一步一步调试检测，发现不管怎样，LM358引脚1输出的电压始终为0V，由此得出该LM358元件是坏的。换了一个后，奇迹出现了，当MQ-2气敏元件接触到酒精时，二极管亮了。然后测得引脚2的电压符合理论值在2.5V左右引脚3的电压为0.9V左右，输出端1输出电压为4V左右，这也符合实际理论值。
由此得出，该LM358是好的，模拟酒精状态电路的设计也是成功的。

3.3总体电路调试
根据MQ-2的参数设定了参数RP的变化范围为10K。电路图如下：按照电路图连接好电路，在接入+5V电源后预热1分钟左右。先测得LM358引脚3的的电压Ur为2.52V，引脚2的电压U为4.0V左右，输出端引脚1的电压约等于0V。符合电压比较器的传输特性，即UI>Ur时，输出端为低电平，既然输出端为低电平，在这种情况下LED肯定是不会亮的，这个时候LED也的确没有亮。既然是酒精探测仪，当然不能少了最终要的一环，也是关系到这个设计成功与否的一环。这个设计需要的是，当MQ-2气体传感器接触到酒精时，LED亮（即起报警作用）。当我拿着二锅头的瓶口接触到MQ-2气敏传感器时，令人欣喜的是，LED亮了，此时测得引脚2的电压符合理论值在2.5V左右引脚3的电压为1V左右，输出端1输出电压为3.5V左右。意味不可言喻啊，设计算是成功了，当然不排除可能出现的小误差。可能是二锅头开瓶后放置了太久的缘故吧，酒精浓度不是很高，需把气敏元件放在瓶口正上方才起效。一开始的时候不注意，导致传感器碰到瓶口，一些酒精粘在了传感器上，理所当然，当撤去酒精瓶后，LED灯依然亮着。然后根据酒精挥发快，赶紧吹，一会就灭了，真是有惊无险啊！后来小心地这样反复试了几次，都是当接触到瓶口时，LED亮，当拿开瓶子，LED熄灭。让我不禁感叹这MQ-2的灵敏度的确是高，并且响应也快。

四、总结

这次设计收获颇丰，在实验室认识了不少器件，大致知道一些的用法，将所学的综合起来运用了一下，很好的检测了所学知识，同时也锻炼了动手能力。
虽然这是一个很简单的电路，但对于我来说也是一次考验。这个设计功能不完善，是一个很大的缺陷，但是也通过这次课题提高自己这方面的动手能力，并且能够结合我们所学的内容联系到实际的生活中去。总之、通过这次对于传感器有一定的了解，学到了很多东西，明白理论联系实际，将所学的应用到实际生活中。同时，也让我明白，无论做什么事，都要主动点，不能总是期待别人会通知你，那时候已经迟了。还有就是得有耐心，有毅力，更要有信心！加油吧！

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