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目录
第1章 绪论 1.1选题的依据及课题的意义 第2章 设计内容 2.1设计要求 2.2 总体设计 2.2.1传感器部分 2.2.2器件选型7 2.2.3原理图设计 7 2.2.4接收装置模块 8 第3章 电路仿真 第4章 可靠性和抗干扰设计 第5章 设计心得和体 参考文献
第1章 绪论
1.1选题的依据及课题的意义2000年以来，随着中国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高，中国逐渐步入“汽车社会”，酒后驾车行为所造成事故越来越多，对社会的影响也越来越大，酒精正成为越来越凶残的“马路杀手”。据有关资料统计，全世界每年因车祸丧生的人数就超过60万人，留下永久性伤残者在400万以上，一般受伤者不计其数。在许多国家，车祸已成为第一位意外交通死亡原因。 此外，因为交通事故造成的经济损失也相当惊人。据事故调查统计，大约50%-60%的车祸于饮酒有关。中国公安部门在2009年8月，在全国各地加强查处酒后驾驶的力度，以减少想因酒后驾驶造成的恶性交通事故。要查处就涉及到检测人体内的酒精含量和使用设备来检测的问题。 为了实现对人权的尊重，对生命的关爱，使更多人的生命权、健康权及幸福美满的家庭能得到更好的保护，需要设计一智能仪器能够检测驾驶员体内酒精含量。目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。酒精检测仪的设计与使用有着不可替代的作用，也有着相当的前景和意义。这次的选题是酒精浓度传感器信号调理电路设计与仿真。
第2章 设计内容
2.1设计要求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。 2.2 总体设计2.2.1传感器部分根据被检测气体的不同，气敏传感器可分为以下三类: （1）可燃性气体气敏传感器。目前该类气敏传感器需求量最大，包含各种无机和有机类气体检测，主要用于抽油烟机、泄露报警器和空气清新剂等方面，并已经形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业及家庭等生产和生活领域广泛用作气体泄露报普，特别是用于家庭气体泄露报警，需求量不断增加，使该类传感器有着广泛的发展空间。 （2）CO和H2气敏传感器。CO气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等CO泄露和不完全燃烧检测报警；H2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道煤气泄露报警。由于我国管道煤气中H2含量很高，而氢敏元件较氧化碳元件价格低，灵敏度高，因此，用氢敏元件做城市管道煤气泄露报警更为适宜。 （3）毒性气体传感器。毒性气体传感器又称为环境有毒有害气体传感器，主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体，虽然SnO2气敏传感器对CO，H2S等有毒有害气体敏感，但应用最多的仍是电解式化学传感器。 传感器的分类方式有很多种，以上是根据被检测气体的性质进行的分类，也有根据元件的物理特性进行分类的。 一个新型的气体检测系统应该包括： （1）基于一种或几种传感技术的气体传感器。 （2）组合了气体传感器和采样调理电路的探头。 （3）配有人机接口软件的中心监测和控制系统。 （4）在一些应用中，与其它安全系统和仪器的接口。 本设计中的酒精气体传感器采用的MQ-3型,它属于MQ系列气敏元件的一种。如图2-2所示：  图2-1 MQ-3 MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的N型半导体微晶烧结层构成。当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。 为了更好地使用酒精传感器MQ3，现将MQ3 的标准工作条件和环境条件进行介绍，如表一和表二所示。 表2-1标准工作条件： 
表2-2酒精传感器MQ3 的环境条件： 
使用方法和注意事项： 元件开始通电工作时，没有接触检测气体，其电导率也急剧增加，约1分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计中电路时可采用延时处理解决。基本酒精测试电路如图2-1所示：  为电源电压， 为给酒精探头加热电压。 (2) 加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。 (3) 元件在接触标定气体100ppm 10秒钟以内负载电阻两端的电压可达到（ ）差值的80%（即响应时间）；脱离标定气体]100ppm30秒钟以内负载电阻两端的电压下降到（）差值的80%（即恢复时间）。 (4) 负载电阻可根据需要适当改动，不影响元件灵敏度。 (5) 使用条件：温度－15～35℃；相对湿度45～75%RH;大气压力80～106KPa。 (6) 环境适度的变化会给元件电阻带来小的影响，当元件在精密仪器上使用时，应进行温度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。 (7) 避免腐蚀性气体及油污染，长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。 (8) 元件六脚位置可与电子管七脚管座匹配使用。 符号说明： 检测器体中电阻－ 检测气体中电压－ 干扰气体中电阻－ 干扰气体中电压－ 与的关系如式2-1：  （2-1） 与的关系如式2-2：   （2-2） 
图2-2 基本酒精测试电路 酒精含量测试电路图设计要求是将气体中的酒精含量转化成测试电压 。参考电压 是酒精含量超标与不超标的门限。若＞，说明酒精含量超标，反之不超标。 表2-3 酒精浓度和输出电压关系图
下图2-2为MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线 
图2-3 MQ-3乙醇气体传感器灵敏度曲线
整体设计电路如下：
图2-4 原理图 2.2.2器件选型表2-4：
2.2.3原理图设计MQ-3可通过将电阻变化转换为电压变化。并通过电压比较器LM393与事先测定的标准电压比较，为单片机提供高低电平作为信号。 电压比较器如图2-3，传感器输出的电压与所设定的参考电压（滑动电阻器Rp）比较，若超出参考电压则电压比较器输出信号该仪器开始工作。 
图2-5电压比较器 2.2.4接收装置模块 本装置采用的是J04H接收模块。作如下说明： 性能说明：J04H采用独特的电路结构，SMT工艺树脂封装，内含放大整形，输出为数据信号直接解码器，使用极为方便，是一种性价比较好的超再生的模块。J04H无信号时输出为零电平状态（无噪声干扰）可适合于单片机输入端接口，J04H采用条状镀金电感及优化电路，无需外接天线，接受灵敏度高采用一定的硬度的镀金电感调整接受频点比采用微调电容调频率的接收电路性能稳定，即使强烈的震动也不用担心频点偏高，J04H具有较宽的接受带宽，出厂时以调在433M，与F04配套基本免调试，只要电源馈电及引线没有太大的分布参数即可处于正常地接受状态，镀金电感约有±5M可调范围，安装时保持原状不要轻易的变动以免频点偏高，J04H具有极低功耗，3V时只消耗0.2mA电流，可长期处于守机状态。 新版J04H可外接天线提高接受灵敏度。 使用说明：J04H最低工作电压为2.6V，灵敏度下降，收发距离变近。J04H接通电源用示波器AC50mV/1mS档在3脚应能看到一条约50 mV<最大杂波为100mV>的噪声带，噪声带应在1.5V，即1/2VDD处，J04H处于正常接收状态。接通发射电源，收发开2米，应能看到码信号，如果3脚无噪声带应检查电压及电流是否正常，过长的临时接线会引入分布参数使LC震荡停振，如图3-8。如果噪声带正常而收不到码信号，可将收发靠近，若仍无信号应仔细检查F04输入端码脉冲是否正常，发射电流是否正常，如果信号及发射电流正常，可将F04输入端电阻增大至47K，调整天线长度，同时观察J04H测试端应出现编码脉冲，F04输入电阻小于10K易引起过调制，甚至停振。如果信号正常不解码，应仔细检查编解码地址码是否一致，码脉冲中间是否有干扰及宽窄脉冲比是否正确，震荡电阻是否正确。解码正常后，收发离开几十米，用示波器观察J04H第3脚信号，调整J04H顶部条状镀金电感（与印板间距）即可调整接受频率使信号最大，即可获得最大收发距离（注意调整量不宜大于1mm）。 电路设计分析：接收电路如图2-4，1端接电源、2端信息输出，与单片机的P3.1口相连、4端接地。接收到的信息直接传到单片机接收串行口。 
图2-6接收装置原理图
第3章 电路仿真
原理图如图3-1所示：
图3-1 MQ-3传感器原理图设计 传感器仿真PCB图如图3-2所示： PCB的设计流程分为原理图设计，规划电路板，载入网络报表，元件的布局和调整，中间层的定义，布线规则设置以及布线等。 1.原理图设计：对于原理图，建议采用模块化的设计方法，相近电路或功能模块放在一起，具有很好的可读性。 2.规划电路板：也就是你要设计的电路板用在什么地方，尺寸、板层结构、原件封装以及安装方式。5 K4 3.载入网络报表，导入PCB，这部分很简单。 4.元件的布局和调整.这部分可双层板没有多少差别，不过对于核心原件还是要注意的。当然也可以双面布局原件；对于时钟要靠近CPU,振荡电路尽量远离天线等易受干扰区。晶振下要放接地焊盘。对于相同电源类型的尽量靠在一起，这样可以很好的电源分割等等。 K 5.中间层的定义。电路的层数选择有经验公式的，内电层的线是负逻辑。 # j) u 6.布线规则设置以及布线，优化布线。布线完毕后要检查布线的完整性，别让飞线存在，然后运行DRC。+ 7.对于外部接口最好有文字说明，方便交互式使用。 
图3-2 MQ-3传感器PCB
第4章 可靠性和抗干扰设计
印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。 1.电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2．地线设计
地线设计的原则是：
(1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
(2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在2~3mm以上。
(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。
3.退藕电容配置
PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。
退藕电容的一般配置原则是：
(1)电源输入端跨接10 ~100uf的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好。
(2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1 ~ 10pF的但电容。
(3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如 RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。
(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。
第5章 设计心得和体
通过本次课程设计。我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），增加了自己的知识面对自己所学的知识有了新的认识，并且运用到实践，对软件的掌握也更加熟练，了解了印刷电路板的设计和制作过程，掌握了电子元器件选型的基本原理和方法，了解了电路焊接的基本知识和掌握电路焊接的基本技巧，并利用仿真软件进行电路的调试，但是对于软件使用方面仍有不足，在今后应该加强. 很感激有这么个课程设计，让我有了一个共同学习，共同增长见识，共同开拓视野的机会。感谢老师们对我的无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。
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