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目錄
第1章 緒論 1.1選題的依據及課題的意義 第2章 設計內容 2.1設計要求 2.2 總體設計 2.2.1傳感器部分 2.2.2器件選型7 2.2.3原理圖設計 7 2.2.4接收裝置模塊 8 第3章 電路仿真 第4章 可靠性和抗干擾設計 第5章 設計心得和體 參考文獻
第1章 緒論
1.1選題的依據及課題的意義2000年以來，隨著中國經濟的高速發展，人民生活水平的迅速提高，中國逐漸步入“汽車社會”，酒后駕車行為所造成事故越來越多，對社會的影響也越來越大，酒精正成為越來越兇殘的“馬路殺手”。據有關資料統計，全世界每年因車禍喪生的人數就超過60萬人，留下永久性傷殘者在400萬以上，一般受傷者不計其數。在許多國家，車禍已成為第一位意外交通死亡原因。 此外，因為交通事故造成的經濟損失也相當驚人。據事故調查統計，大約50%-60%的車禍于飲酒有關。中國公安部門在2009年8月，在全國各地加強查處酒后駕駛的力度，以減少想因酒后駕駛造成的惡性交通事故。要查處就涉及到檢測人體內的酒精含量和使用設備來檢測的問題。 為了實現對人權的尊重，對生命的關愛，使更多人的生命權、健康權及幸福美滿的家庭能得到更好的保護，需要設計一智能儀器能夠檢測駕駛員體內酒精含量。目前全世界絕大多數國家都采用呼氣酒精測試儀對駕駛人員進行現場檢測，以確定被測量者體內酒精含量的多少，以確保駕駛員的生命財產安全。酒精檢測儀的設計與使用有著不可替代的作用，也有著相當的前景和意義。這次的選題是酒精濃度傳感器信號調理電路設計與仿真。
第2章 設計內容
2.1設計要求選用酒精濃度傳感器進行氣體中酒精濃度測量，要求測量范圍10-1000PPM、精度為5PPM。 設計傳感器的信號調理電路，實現以下要求： （1）設計信號調理將傳感器輸出0.2-1.4 V的信號轉換為0-5V直流電壓信號； （2）對信號調理電路中采用的具體元器件應有器件選型依據； （3）電路的設計應當考慮可靠性和抗干擾設計內容； （4）電路的基本工作原理應有一定說明； （5）電路應當在相應的仿真軟件上進行仿真以驗證電路可行性。 2.2 總體設計2.2.1傳感器部分根據被檢測氣體的不同，氣敏傳感器可分為以下三類: （1）可燃性氣體氣敏傳感器。目前該類氣敏傳感器需求量最大，包含各種無機和有機類氣體檢測，主要用于抽油煙機、泄露報警器和空氣清新劑等方面，并已經形成生產規模，在油田、礦區、化工、企業及家庭等生產和生活領域廣泛用作氣體泄露報普，特別是用于家庭氣體泄露報警，需求量不斷增加，使該類傳感器有著廣泛的發展空間。 （2）CO和H2氣敏傳感器。CO氣敏元件可用于工業生產、環保、汽車、家庭等CO泄露和不完全燃燒檢測報警；H2氣敏元件除應用于工業等領域外，主要用于家庭管道煤氣泄露報警。由于我國管道煤氣中H2含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報警更為適宜。 （3）毒性氣體傳感器。毒性氣體傳感器又稱為環境有毒有害氣體傳感器，主要用于檢測煙氣、尾氣、廢氣等環境污染氣體，雖然SnO2氣敏傳感器對CO，H2S等有毒有害氣體敏感，但應用最多的仍是電解式化學傳感器。 傳感器的分類方式有很多種，以上是根據被檢測氣體的性質進行的分類，也有根據元件的物理特性進行分類的。 一個新型的氣體檢測系統應該包括： （1）基于一種或幾種傳感技術的氣體傳感器。 （2）組合了氣體傳感器和采樣調理電路的探頭。 （3）配有人機接口軟件的中心監測和控制系統。 （4）在一些應用中，與其它安全系統和儀器的接口。 本設計中的酒精氣體傳感器采用的MQ-3型,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖2-2所示：  圖2-1 MQ-3 MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的N型半導體微晶燒結層構成。當其表面吸附有被測氣體酒精分子時，表面導電電子比例就會發生變化，從而其表面電阻會隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復使用。 為了更好地使用酒精傳感器MQ3，現將MQ3 的標準工作條件和環境條件進行介紹，如表一和表二所示。 表2-1標準工作條件： 
表2-2酒精傳感器MQ3 的環境條件： 
使用方法和注意事項： 元件開始通電工作時，沒有接觸檢測氣體，其電導率也急劇增加，約1分鐘后達到穩定，這時方可正常使用，這段變化在設計中電路時可采用延時處理解決。基本酒精測試電路如圖2-1所示：  為電源電壓， 為給酒精探頭加熱電壓。 (2) 加熱電壓的改變會直接影響元件的性能，所以在規定的電壓范圍內使用為佳。 (3) 元件在接觸標定氣體100ppm 10秒鐘以內負載電阻兩端的電壓可達到（ ）差值的80%（即響應時間）；脫離標定氣體]100ppm30秒鐘以內負載電阻兩端的電壓下降到（）差值的80%（即恢復時間）。 (4) 負載電阻可根據需要適當改動，不影響元件靈敏度。 (5) 使用條件：溫度－15～35℃；相對濕度45～75%RH;大氣壓力80～106KPa。 (6) 環境適度的變化會給元件電阻帶來小的影響，當元件在精密儀器上使用時，應進行溫度補償，最簡便的方法是采用熱敏電阻補償之。 (7) 避免腐蝕性氣體及油污染，長期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網。 (8) 元件六腳位置可與電子管七腳管座匹配使用。 符號說明： 檢測器體中電阻－ 檢測氣體中電壓－ 干擾氣體中電阻－ 干擾氣體中電壓－ 與的關系如式2-1：  （2-1） 與的關系如式2-2：   （2-2） 
圖2-2 基本酒精測試電路 酒精含量測試電路圖設計要求是將氣體中的酒精含量轉化成測試電壓 。參考電壓 是酒精含量超標與不超標的門限。若＞，說明酒精含量超標，反之不超標。 表2-3 酒精濃度和輸出電壓關系圖
下圖2-2為MQ-3乙醇氣體傳感器靈敏度曲線 
圖2-3 MQ-3乙醇氣體傳感器靈敏度曲線
整體設計電路如下：
圖2-4 原理圖 2.2.2器件選型表2-4：
2.2.3原理圖設計MQ-3可通過將電阻變化轉換為電壓變化。并通過電壓比較器LM393與事先測定的標準電壓比較，為單片機提供高低電平作為信號。 電壓比較器如圖2-3，傳感器輸出的電壓與所設定的參考電壓（滑動電阻器Rp）比較，若超出參考電壓則電壓比較器輸出信號該儀器開始工作。 
圖2-5電壓比較器 2.2.4接收裝置模塊 本裝置采用的是J04H接收模塊。作如下說明： 性能說明：J04H采用獨特的電路結構，SMT工藝樹脂封裝，內含放大整形，輸出為數據信號直接解碼器，使用極為方便，是一種性價比較好的超再生的模塊。J04H無信號時輸出為零電平狀態（無噪聲干擾）可適合于單片機輸入端接口，J04H采用條狀鍍金電感及優化電路，無需外接天線，接受靈敏度高采用一定的硬度的鍍金電感調整接受頻點比采用微調電容調頻率的接收電路性能穩定，即使強烈的震動也不用擔心頻點偏高，J04H具有較寬的接受帶寬，出廠時以調在433M，與F04配套基本免調試，只要電源饋電及引線沒有太大的分布參數即可處于正常地接受狀態，鍍金電感約有±5M可調范圍，安裝時保持原狀不要輕易的變動以免頻點偏高，J04H具有極低功耗，3V時只消耗0.2mA電流，可長期處于守機狀態。 新版J04H可外接天線提高接受靈敏度。 使用說明：J04H最低工作電壓為2.6V，靈敏度下降，收發距離變近。J04H接通電源用示波器AC50mV/1mS檔在3腳應能看到一條約50 mV<最大雜波為100mV>的噪聲帶，噪聲帶應在1.5V，即1/2VDD處，J04H處于正常接收狀態。接通發射電源，收發開2米，應能看到碼信號，如果3腳無噪聲帶應檢查電壓及電流是否正常，過長的臨時接線會引入分布參數使LC震蕩停振，如圖3-8。如果噪聲帶正常而收不到碼信號，可將收發靠近，若仍無信號應仔細檢查F04輸入端碼脈沖是否正常，發射電流是否正常，如果信號及發射電流正常，可將F04輸入端電阻增大至47K，調整天線長度，同時觀察J04H測試端應出現編碼脈沖，F04輸入電阻小于10K易引起過調制，甚至停振。如果信號正常不解碼，應仔細檢查編解碼地址碼是否一致，碼脈沖中間是否有干擾及寬窄脈沖比是否正確，震蕩電阻是否正確。解碼正常后，收發離開幾十米，用示波器觀察J04H第3腳信號，調整J04H頂部條狀鍍金電感（與印板間距）即可調整接受頻率使信號最大，即可獲得最大收發距離（注意調整量不宜大于1mm）。 電路設計分析：接收電路如圖2-4，1端接電源、2端信息輸出，與單片機的P3.1口相連、4端接地。接收到的信息直接傳到單片機接收串行口。 
圖2-6接收裝置原理圖
第3章 電路仿真
原理圖如圖3-1所示：
圖3-1 MQ-3傳感器原理圖設計 傳感器仿真PCB圖如圖3-2所示： PCB的設計流程分為原理圖設計，規劃電路板，載入網絡報表，元件的布局和調整，中間層的定義，布線規則設置以及布線等。 1.原理圖設計：對于原理圖，建議采用模塊化的設計方法，相近電路或功能模塊放在一起，具有很好的可讀性。 2.規劃電路板：也就是你要設計的電路板用在什么地方，尺寸、板層結構、原件封裝以及安裝方式。5 K4 3.載入網絡報表，導入PCB，這部分很簡單。 4.元件的布局和調整.這部分可雙層板沒有多少差別，不過對于核心原件還是要注意的。當然也可以雙面布局原件；對于時鐘要靠近CPU,振蕩電路盡量遠離天線等易受干擾區。晶振下要放接地焊盤。對于相同電源類型的盡量靠在一起，這樣可以很好的電源分割等等。 K 5.中間層的定義。電路的層數選擇有經驗公式的，內電層的線是負邏輯。 # j) u 6.布線規則設置以及布線，優化布線。布線完畢后要檢查布線的完整性，別讓飛線存在，然后運行DRC。+ 7.對于外部接口最好有文字說明，方便交互式使用。 
圖3-2 MQ-3傳感器PCB
第4章 可靠性和抗干擾設計
印制電路板的抗干擾設計與具體電路有著密切的關系，這里僅就PCB抗干擾設計的幾項常用措施做一些說明。 1.電源線設計 根據印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。
2．地線設計
地線設計的原則是：
(1)數字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而租，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。
(2)接地線應盡量加粗。若接地線用很紉的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應在2~3mm以上。
(3)接地線構成閉環路。只由數字電路組成的印制板，其接地電路布成團環路大多能提高抗噪聲能力。
3.退藕電容配置
PCB設計的常規做法之一是在印制板的各個關鍵部位配置適當的退藕電容。
退藕電容的一般配置原則是：
(1)電源輸入端跨接10 ~100uf的電解電容器。如有可能，接100uF以上的更好。
(2)原則上每個集成電路芯片都應布置一個0.01pF的瓷片電容，如遇印制板空隙不夠，可每4~8個芯片布置一個1 ~ 10pF的但電容。
(3)對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件，如 RAM、ROM存儲器件，應在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。
(4)電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。
第5章 設計心得和體
通過本次課程設計。我了解常用電子元器件基本知識（電阻、電容、電感、二極管、三極管、集成電路），增加了自己的知識面對自己所學的知識有了新的認識，并且運用到實踐，對軟件的掌握也更加熟練，了解了印刷電路板的設計和制作過程，掌握了電子元器件選型的基本原理和方法，了解了電路焊接的基本知識和掌握電路焊接的基本技巧，并利用仿真軟件進行電路的調試，但是對于軟件使用方面仍有不足，在今后應該加強. 很感激有這么個課程設計，讓我有了一個共同學習，共同增長見識，共同開拓視野的機會。感謝老師們對我的無私忘我的指導，我會以這次課程設計作為對自己的激勵，繼續學習。
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