MQ-3酒精传感器设计原理图及其程序
MQ-3酒精传感器模块使用说明书
简要说明：
一、尺寸：32mm X22mm X27mm 长X宽X高
二、主要芯片：LM393、ZYMQ-3气体传感器
三、工作电压：直流5伏
四、特点：
1、具有信号输出指示。
2、双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
3、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）
4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。
5、对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性。
6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
7、快速的响应恢复特性
五、应用：
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，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测
【标注说明】
【原理图】
【测试方式】
1、传感器先预热20秒左右。
2、将传感器放在无被测气体的地方，顺时针调节电位器，调节到指示灯亮，然后逆时针转
半圈，调到指示灯不亮，然后接近被测气体，指示灯亮，离开被测气体，指示灯熄灭，就证明传感器是好的！
【测试程序】
实现功能：
1、当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平
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汇诚科技
实现功能:此版配套测试程序
使用芯片：AT89S52
晶振：11.0592MHZ
波特率：9600
编译环境：Keil
作者：zhangxinchunleo
【声明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！
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说明：1、当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平
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#include
#define uchar unsigned char//宏定义无符号字符型
#define uint unsigned int //宏定义无符号整型
/********************************************************************
I/O定义
*********************************************************************/
sbit LED=P1^0; //定义单片机P1口的第1位（即P1.0）为指示端
sbit DOUT=P2^0; //定义单片机P2口的第1位（即P2.0）为传感器的输入端
/********************************************************************
延时函数
*********************************************************************/
void delay()//延时程序
{
uchar m,n,s;
for(m=20;m>0;m--)
for(n=20;n>0;n--)
for(s=248;s>0;s--);
}
/********************************************************************
主函数
*********************************************************************/
void main()
{
while(1) //无限循环
{
LED=1; //熄灭P1.0口灯
if(DOUT==0)//当浓度高于设定值时，执行条件函数
{
delay();//延时抗干扰
if(DOUT==0)//确定浓度高于设定值时，执行条件函数
{
LED=0; //点亮P1.0口灯
}
}
}
}
/********************************************************************
结束
*********************************************************************/
【测试程序】
*********************************************************************/
#include
#define uchar unsigned char //宏定义无符号字符型
#define uint unsigned int //宏定义无符号整型
code uchar seg7code[10]={ 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //显示段码数码管字跟
uchar wei[4]={0XEf,0XDf,0XBf,0X7f}; //位的控制端
//位控制码
sbit ST=P3^0; //A/D启动转换信号
sbit OE=P3^1; //数据输出允许信号
sbit EOC=P3^2; //A/D转换结束信号
sbit CLK=P3^3; //时钟脉冲
uint z,x,c,v,AD0809, date; //定义数据类型
/******************************************************************
延时函数
******************************************************************/
void delay(uchar t)
{
uchar i,j;
for(i=0;i { for(j=13;j>0;j--); { ; } } } /********************************************************************** 数码管动态扫描 *********************************************************************/ void xianshi() //显示函数 { uint z,x,c,v; z=date/1000; //求千位 x=date%1000/100; //求百位 c=date%100/10; //求十位 v=date%10; //求个位 P2=0XFF; P0=seg7code[z]&0x7f; P2=wei[0]; delay(80); P2=0XFF; P0=seg7code[x]; P2=wei[1]; delay(80); P2=0XFF; P0=seg7code[c]; P2=wei[2]; delay(80); P2=0XFF; P0=seg7code[v]; P2=wei[3]; delay(80); P2=0XFF; } /************************************************************************* CLK振荡信号 **************************************************************************/ void timer0( ) interrupt 1 //定时器0工作方式1 { TH0=(65536-2)/256; //重装计数初值 TL0=(65536-2)%256; //重装计数初值 CLK=!CLK; //取反 } /************************************************************************* 主函数 **************************************************************************/ void main() { TMOD=0X01; //定时器中断0 CLK=0; //脉冲信号初始值为0 TH0=(65536-2)/256; //定时时间高八位初值 TL0=(65536-2)%256; //定时时间低八位初值 EA=1; //开CPU中断 ET0=1; //开T/C0中断 TR0=1; while(1) //无限循环 { ST=0; //使采集信号为低 ST=1; //开始数据转换 ST=0; //停止数据转换 while(!EOC); //等待数据转换完毕 OE=1; //允许数据输出信号 AD0809=P1; //读取数据 OE=0; //关闭数据输出允许信号 if(AD0809>=251) //电压显示不能超过5V AD0809=250; date=AD0809*20; //数码管显示的数据值，其中20为采集数据的毫安值 xianshi(); //数码管显示函数 } } 【ADC0809资料】 ADC0809中文资料 1．主要特性1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100μs 4）单个＋5V电源供电5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度7）低功耗，约15mW。 2．内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近ADC0809内部结构框图寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。 3．外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 IN0～IN7：8路模拟量输入端。 2-1～2-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A／D转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一＋5V。 GND：地。 ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 【图片展示】 2.3.1酒精传感器的介绍 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[11]。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2.4 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[12]。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2.4 酒精传感器的外观和相应的结构形式 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Vout 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[13]。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A/D 转换和处理。 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R L 上的有效电压信号U RL输出获得的。二者之间的关系表述为： R S/R L= (V－U RL )/U RL……………………………(2-1) 其中，V 为回路电压，电压为10V，负载电阻R L可调为0.5—200KΩ。负载电阻R L 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来相应反映浓度变化[14]。 半导体方式的MQ-3 酒精传感器具有灵敏度高、电路简单、使用方便、所需费用低、稳定性好以及寿命长等优点，可以把气体信号转换为电压信号输出，因此得到广泛应用。MQ-3 酒精传感器可用于机动车驾驶员呼气中酒精浓度的检测，以及其它严禁酒后操作的现场环境探测，也可用于其它场所的乙醇蒸气勘测工作等。MQ-3 酒精传感器的实物中包含有6 只针状管脚，其中4 个管脚（两个A 和两个B）用于信号读取，两个H 脚用于提供加热电流。 酒精传感器开题报告 篇一：酒精检测系统开题报告 大学毕业设计（论文）开题报告 题目：基于单片机的酒精检测系统设计专业：电子信息工程指导教师：学院：信息学院学号： XX0 班级： XX08030302 姓名： 一、课题任务与目的 随着生活节奏的加快，城市机动车保有量越来越大，越来越多的人们选择开成出行，在此过程中，会有一些人出现酒后驾车的行为。酒后驾车十分危险，不仅对司机本人的生命安全造成极大威胁，一旦发生事故，对他人生命安全也是极大威胁。从理论上说，要判断是否是酒后驾驶，最准确的方法应该是检查驾驶人员血液中的酒精含量。血液中的酒精含量可以通过检查血液、呼气、唾液和小便得到。在违章处理或者公路交通例行检查中，最简单可行的方法是利用酒精测试系统检测驾驶人员呼气中的酒精浓度。本课题要求设计酒精检测系统，通过该系统检测司机口腔内酒精浓度，提示司机不要酒后驾车。 本次毕业设计的任务是完成单片机的酒精检测系统设计，通过查阅酒精浓度检测的相关资料，根据所需模块进行进一步分析确定所需模块的芯片。以测量浓度为目的做出完整合理的设计。利用酒精检测传感器检测司机口腔内的酒精 浓度，并通过显示器显示检测数值与当前时间。通过键盘设定酒精浓度报警数值，当检测的酒精浓度数值超过正常范围时发出报警信号，并且能够语音报出检测数值。 二、调研资料情况 通过调研单片机方面的资料，认识到使用单片机来检测酒精气体有以下优点：数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LED显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据采集、存储、计算、分析等。)系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。软件系统采用汇编语言，在兼顾实时性处理的同时也很方便地进行数据处理。测量精度高、响应时间快，能检测到ppm级的酒精气体浓度。 单片机还在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。在我国推广使用单片机，具有特别重要的意义。它将有助于我国各行各业的技术改造和产品的更新换代。随着具有高速运算与数据处理能力的16位单片机的出现，单片机也开始渗透到数据处理的领域。 在国外单片机发展比较早，所以应用也比较广泛，主要在家庭装较贵重地方，银行，保险柜等应用比较多，在国内这方面发展也比较快，不管自己开发或是引进都有，在重要地方应用也比较多，现在越来越普及到平常化，未来的发展也会越来越被大众采用，单片机是工业控制领域内最理想 。 2.3.1酒精传感器的介绍 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[11]。 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 2.4 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[12] 。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 2.4酒精传感器的外观和相应的结构形式 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 中的可燃气体度迅速增大，感器的内阻阻将会迅速降低，利用特性并合路分析 中的分原理，分析便得知Vout的将逐增大，当超定的，可生相 的操作[13]。理后信号由阻成，就可用于后路行A/D 和理。 感器的准回路有两部分成。其一加回路，其二信号出回路，它可以准确反映感器表面的阻化。感器表面阻Rs 的化，是通与其串的阻R L 上的有效信号U RL出得的。二者之的关系表述： R S/R L= (V － U RL )/U RL???????????(2-1) 其中， V 回路，10V ，阻R L可0.5 — 200K Ω。阻R L 可，加一般5V 。 感器阻化率与酒精度、外界温度的关系慎密，了使量的酒精度最高差最小， 需要找到合适的温度，一般在量前需将感器 5 分。后半体粒表面的吸 附可致材料流子度生相化，从而改率，使感器出信号生改 来相反映度化[14] 。 半体方式的MQ-3酒精感器具有灵敏度高、路、使用方便、所需用低、定 性好以及寿命等点，可以把气体信号信号出，因此得到广泛用。MQ-3酒精感器可用于机呼气中酒精度的，以及其它禁酒后操作的境 探，也可用于其它所的乙醇蒸气勘工作等。MQ-3酒精感器的物中包含有 6 只状管脚，其中 4 个管脚（两个 A 和两个B）用于信号取，两个H 脚用于提供加 流。 酒精传感器得介绍 酒精传感器 MQ-3 得基本原理可简述为将探测到得酒精浓度转换成有用电信号得器件,并根据这些电信号得强弱就可以获得与待测气体在环境中得存在情况有关得信息[11]。MQ-3 型气敏传感器由陶瓷管与二氧化硅敏感层、测量电极与加热器构成得敏感元件固定在塑料或不锈钢得腔体内,加热器为气敏元件得工作提供了必要得工作条件。 气敏传感器得外观与相应得结构形式如图 2、4 所示,它就是由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层,测量引脚电极与温度加热器组成[12]。敏感元件固定在塑料或不绣钢制成得腔体内,加热器为气敏元件提供了必要得工作条件。封装好得气敏元件有六个管脚输出,其中四个用于信号得取出,二个用于提供加热得电流。 图2、4 酒精传感器得外观与相应得结构形式 图中①、②、③分别表示 MQ-3 乙醇传感器得引脚排列图、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得两个极,图③中框图中“V”为传感器得工作电压,同时也就是加热得电压。 在工作时,气敏传感器得加热电压选取交流或直流 5V 均可。当其被受热后,加温室环境中得可燃气体浓度迅速增大,传感器得内阻阻值将会迅速降低,利用该特性并结合电路分析中得分压原理,分析便得知 Vout 得值将逐渐增大,当超过预设定得阈值时,可产生相应得操作[13]。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 A/D 转换与处理。 传感器得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得电阻值变化。传感器表面电阻 Rs 得变化,就是通过与其串联得负载电阻 R L 上得有效电压信号 U RL 输出获得得。二者之间得关系表述为: R S /R L = (V－U RL )/U RL ……………………………(2-1) 其中,V 为回路电压,电压为 10V,负载电阻 R L 可调为 0、5—200KΩ。负载电阻 R L 可调,加热电压一般为 5V。 传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度得关系慎密,为了使测量得酒精浓度最高误差最小,需要找到合适得温度,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得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来相应反映浓度变化[14]。 半导体方式得 MQ-3 酒精传感器具有灵敏度高、电路简单、使用方便、所需费用低、稳定性好以及寿命长等优点,可以把气体信号转换为电压信号输出,因此得到广泛应用。MQ-3 酒精传感器可用于机动车驾驶员呼气中酒精浓度得检测,以及其它严禁酒后操作得现场环境探测,也可用于其它场所得乙醇蒸气勘测工作等。MQ-3 酒精传感器得实物中包含有 6 只针状管脚,其中 4 个管脚(两个 A 与两个 B)用于信号读取,两个 H 脚用于提供加热电流。 MQ-3 灵敏度 市面上用得最广得酒精传感器就是 MQ-3 乙醇传感器。 MQ-3 乙醇气体传感器得突出技术特点为: ★对乙醇蒸汽具有较高得灵敏度与优秀得选择性; ★响应时间短并且恢复时间短得特性; ★长期得使用寿命与可靠检测得稳定性; ★驱动电路简单;MQ-3 型气敏传感器技术指标如下: ★使用气体:酒精(乙醇); ★探测范围:10-1000*10-6 ; ★灵敏度:air/Rin typical gas5; ★特征气体:100*10-6; ★敏感体电阻:400-4000k?(空气中); ★响应时间:10s(70% Response); ★恢复时间:30s(70% Response); ★加热电阻:31?±3?; ★加热电流:180mA; ★加热电压:5V±0、2V; ★加热功率:900mW; ★工作条件:环境温度:-10~65 摄氏度湿度:95%RH; ★贮存条件:温度-20~70 摄氏度,湿度:70%RH; 2.1 酒精浓度检测仪整体结构设计 单片机酒精浓度测试仪用MQK2酒精传感器采集气体信号，并通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号送至单片机，单片机对数字信号进行分析处理，并将所得的结果显示出来，可以通过键盘设置不同环境下酒精浓度的不同阀值，如果所检测出的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机就能控制蜂鸣器发出声音报警。键盘采用3个独立键盘进行数据输入设定；显示部分用5个数码管显示当前数据，数码管分别用2个74HC573锁存器控制段选和位选。本文设计的酒精浓度检测仪主要是以酒精传感器和单片机为平台设计而成的，其硬件系统功能框图如图一所示。 图一硬件系统功能框图 酒精浓度检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、LCD 显示、以及声音报警构成。 酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给模数转换器，经过模数转换器转换后，把转换后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过显示器显示出来。如果所检测到的空气中的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机将会控制蜂鸣器发出声音报警，用来提示危害。 2.2 MQR2酒精传感器 MQR2酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。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电阻的变化。酒精浓度同输出电压的近似关系如图二所示。 图二酒精浓度同输出电压的近似关系 2.3 传感器信号采集电路 电路的前端部分MQK2传感器按照常规设计即可，如图三所示，MQK3外接+5V 电压时，可将电阻丝加热至270℃～300℃.电路将MQK2的阻值变化转换成输出电压的变化,从而可以通过A/D 转换成数字信号供单片机处理。 P2.5 单 片 P0 机 蜂鸣器报 显示模 A/D 模块 酒精传感器 传感器课程设计报告书 课题名称 简易酒精浓度超标测试装置 姓 名 石浩淼 学 号 20096655 院、系、部 电气工程系 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 马丽 2013年 1 月 5 日 ※※※※※※※※※ ※※ ※※ ※※ ※※ ※※※※※ ※※ 2009级传感器 课程设计 一、设计目的 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。酒精浓度监测仪是一种以气敏传感器和单片机为主，监测空气酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。其可监测出空气环境中酒精浓度值，并根据不同的环境设定不同的阈值，对超过的阈值进行声光报警来提示危害。此外，空气酒精浓度监测仪还能监测某一特定环境的酒精浓度如酒精生产车间可避免发生起火、爆炸及工业场地酒精中毒等恶性事故，确保环境安全。本研究设计的酒精浓度测试仪是一款实用性强、安全可靠的气体乙醇浓度检测工具，采用高精度MQ-2乙醇气体传感器对空气中的乙醇浓度进行检测。 二、课程设计要求 2.1设计要求 2. 1.1 本课题主要完成的设计部分 (1) 信号采集及处理电路 由气敏传感器及附属电路组成，传感器将空气中的酒精浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理。 (2) 声光报警电路 在酒精浓度超标时，电路产生相应的红色警告信号，同时驱动扬声器产生音频信号。电路应以不同的灯光提示，表明酒精浓度未超标。 三、硬件电路设计 3.1 基本原理 3.1.1 基本原理框图 图1 基本框图 3.1.2 工作原理 （1）直流电源由4节1.5V干电池供电 MQ-3 Semiconductor Sensor for Alcohol Sensitive material of MQ-3 gas sensor is SnO 2, which with lower conductivity in clean air. When the target alcohol gas exist, The sensor’s conductivity is more higher along with the gas concentration rising. Please use simple electrocircuit, Convert change of conductivity to correspond output signal of gas concentration. MQ-3 gas sensor has high sensitity to Alcohol, and has good resistance to disturb of gasoline, smoke and vapor. The sensor could be used to detect alcohol with different concentration, it is with low cost and suitable for different application. Character Configuration * Good sensitivity to alcohol gas * Long life and low cost * Simple drive circuit Application * Vehicel alcohol detector * Portable alcohol detector Technical Data Basic test loop The above is basic test circuit of the sensor. The sensor need to be put 2 voltage, heater voltage （VH ） and test voltage （VC ）. VH used to supply certified working temperature to the sensor, while VC used to detect voltage (VRL) on load resistance （RL ）whom is in series with sensor. The sensor has light polarity, Vc need DC power. VC and VH could use same power circuit with precondition to assure performance of sensor. In order to make the sensor with better performance, suitable RL value is needed: Power of Sensitivity body(Ps): Ps=Vc 2×Rs/(Rs+RL)2 Model No. MQ-3 Sensor Type Semiconductor Standard Encapsulation Bakelite (Black Bakelite) Detection Gas Alcohol gas Concentration 0.04-4mg/l alcohol Loop Voltage V c ≤24V DC Heater Voltage V H 5.0V±0.2V AC or DC Circuit Load Resistance R L Adjustable Heater Resistance R H 31?±3?（Room Tem.） Heater consumption P H ≤900mW Sensing Resistance R s 2K ?-20K ?(in 0.4mg/l alcohol ) Sensitivity S Rs(in air)/Rs(0.4mg/L Alcohol)≥5 Character Slope α ≤0.6(R 300ppm /R 100ppm Alcohol)Tem. Humidity 20℃±2℃；65%±5%RH Standard test circuit Vc:5.0V±0.1V ； V H : 5.0V±0.1V Condition Preheat time Over 48 hours Vc V H GND R L V RL 传感器综合设计 题目：酒精传感器设计 院（系）：机电学院 专业：电气*****班 学生姓名：******* 学号：20112000*** 20112000**** 摘要 本设计实现了对不同浓度酒精的检测和显示，通过适当改进可以用于检测酒后驾车。本文用STC12C5A60S2单片机与MQ-3型气体传感器实现了对酒精浓度的测量，并对测量数据进行显示，同时利用二极管简单显示浓度的高低，在设计允许值时发出报警。 论文主要研究了（1）硬件方面，MQ-3气体传感器技术参数的检测和将它接入到酒精浓度检测模块中；将模拟电压信号放大驱动发光二极管点亮报警；将采集到的模拟电压信号通过单片机控制经A/D转换，得到数字电压信号；用于显示浓度的数码管显示模块。（2）软件方面，主要研究了电压到浓度的线性转换和最终浓度值的数码管显示。（3）对设计的传感器进行了标定。设计的传感器对酒精气体反应灵敏，能在有效范围内测量它的浓度值。并且在检测低浓度酒精时误差较小，最大误差为8.2%满足设计要求1.1 设计背景 我国传感器市场的增长率超过15%，2003年销售额为186亿元人民币，2006年销售额为283亿元人民币，预计2007年为325亿元人民币，2008年为374亿元人民币。我国传感器4大类中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它将不仅促进系统产业的改造，而且可导致建立新型工业和军事变革，是21世纪新的经济增长点。 由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少的手段，气体传感器发挥着极其重要的作用。气体传感器是把气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号的一类器件，用来对有害气体，易燃易爆气体等进行安全检测和报警，对生产生活中需要了解的气体进行检测，分析，研究等。近年来，我国气敏传感器产业有了较快的发展，但与国外相比，从技术水平，产业化及应用等领域均存在着不小的差距。 目前，气敏传感器领域还存在一些问题。一是元件的稳定性差。由于元件电阻和灵敏度随时间而不断变化，漂移大给检测结果的可靠性带来不稳定的因素。二是选择性差。由于在检测气体时，往往还存在着其它的干扰气体(如烟酒等)，使气敏元件发生交叉响应，产生误报。三是催化剂中毒。掺有催化剂的气敏元件接触某些气体后，活性组分被毒化，将会改变元件的选择性，降低其敏感度和稳定性，另外催化剂本身也存在着不稳定性问题。灵敏度问题。四是SnO2元件有时由于灵敏度过大导致误报，但是在检测某些低浓度气体时灵敏度却难以达到要求。 1.2 气敏传感器的研究现状 气敏元件性能与敏感功能材料的种类、结构及制作工艺密切相关。用金属氧化敏感材料制作的半导体式气敏元件具有灵敏度高，结构简单，体小质轻，坚固耐用等优点而 乙醇泄露检测传感器 乙醇泄露检测传感器特点: ★是款内置微型气体泵的安全便携装置 ★整机体积小,重量轻,防水,防爆,防震设计. ★高精度,高分辨率,响应迅速快. ★采用大容量可充电锂电池,可长时间连续工作. ★数字LCD背光显示,声光、振动报警功能. ★上、下限报警值可任意设定,自带零点和目标点校准功能,内置温度补偿,维护方便. ★宽量程,最大数值可显示到50000ppm、100.00%Vol、100%LEL. ★数据恢复功能,免去误操作引起的后顾之忧. ★显示值放大倍数可以设置,重启恢复正常. ★外壳采用特殊材质及工艺,不易磨损,易清洁,长时间使用光亮如新. 乙醇泄露检测传感器产品特性: ★是款内置微型气体泵的高精度的手式安全便携装备; ★进口电化学传感器具有良好的抗干扰性能,使用寿命长达3年; ★采用先进微处理器技术,响应速度快,测量精度高,稳定性和重复性好; ★检测现场具有现场声光报警功能,气体浓度超标即时报警,是危险现场作业的安全保障; ★现场带背光大屏幕LCD显示,直观显示气体浓度/类型/单位/工作状态等; ★全量程范围温度数字自动跟踪补偿,保证测量准确性; ★半导体纳米工艺超低功耗32位微处量器; ★全软件自动校准,传感器多达6级目标点校准功能,保证测量的准确性和线性,并且具有数据恢复功能;★全中文/英文操作菜单,简单实用,带温度补偿功能; ★防高浓度气体冲击的自动保护功能; 乙醇泄露检测传感器技术参数: 检测气体:空气中的乙醇气体 检测范围:0-100ppm、500ppm、1000ppm、5000ppm、0-100%LEL 分辨率:0.1ppm、0.1%LEL 显示方式:液晶显示 温湿度:选配件,温度检测范围:-40~120℃,湿度检测范围:0-100%RH 检测方式:扩散式、流通式、泵吸式可选安装方式:壁挂式、管道式检测精度:≤±3%线性误差:≤±1% 响应时间:≤20秒(T90零点漂移:≤±1%(F.S/年恢复时间:≤20秒重复性:≤±1% 信号输出:①4-20mA信号:标准的16位精度4-20mA输出芯片,传输距离1Km ②RS485信号:采用标准MODBUS RTU协议,传输距离2Km ③电压信号:0-5V、0-10V输出,可自行设置 ④脉冲信号:又称频率信号,频率范围可调(选配 ⑤开关量信号:标配2组继电器,可选第三组继电器,继电器无源触点,容量220VAC3A/24VDC3A 传输方式:①电缆传输:3芯、4芯电缆线,远距离传输(1-2公里 ②GPRS传输:可内置GPRS模块,实时远程传输数据,不受距离限制(选配 接收设备:用户电脑、控制报警器、PLC、DCS、等 课程：传感器应用班级：12物联网姓名： 学号： 指导老师： 一、实验名称：酒精传感器 二、实验目的： １、能够读懂电子产品原理图，了解气敏传感器以及各电子元件的作用。２、能够具备电子产品的焊接技能以及故障分析、判断能力。 三、功能描述： 本设计介绍了一种酒精浓度检测仪的设计方法，主要利用MQ3还原性气体传感器作为酒精气体传感器，通过分压电阻转换为成比例的电压，再利用线性显示驱动LM3914驱动不同颜色的发光二极管和蜂鸣器提示检测得到的酒精浓度大小。根据自动检测系统的组成结构，该酒精浓度检测仪包含酒精气体传感器，信号处理电路和执行指示机构等部分。对于酒精气体传感器，只要是一般性的还原性气体传感器都能够使用。具体的信号传递与结构如下图所示。 四、硬件电路设计： 电路的前端部分MQ3传感器和分压电路按照常规设计即可，执行驱动声光指示的电路需要驱动多个发光管以及一个蜂鸣器，即需要将分压电路得出的电压转换成LED线段显示同时在某点驱动蜂鸣器发声。因此本设计拟采用LED通用电平显示驱动芯片LM3914作为执行机构。 １、MQ-3气敏电阻传感器 本设计采用的是表面电阻控制型气敏传感器MQ-3，该气体传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体，最常用的如SnO2。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动，电阻较大。当N 型半导体的表面在高温下遇到离解能力较小（易失去电子）的还原性气体时，气体分子中的电子将向气敏电阻表面转移，使气敏电阻中的自由电子浓度增加，电阻率降低，电阻减小。其应用于家庭、工厂、商业场所的气体泄漏监测装置，防火/安全探测系统。气体泄漏报警器，气体检漏仪。特点：高灵敏度、快速响应恢复、优异的稳定性、长寿命、驱动电路简单、电信号输出强。如下图所示。 酒精传感器的介绍 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[11]。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 2.4 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[12]。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2.4 酒精传感器的外观和相应的结构形式 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 Vout 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[13]。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 A/D 转换和处理。 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 R L 上的有效电压信号 U RL 输出获得的。二者之间的关系表述为： R S /R L = (V－U RL )/U RL ……………………………(2-1) 其中，V 为回路电压，电压为 10V，负载电阻 R L 可调为 0.5—200KΩ。负载电 阻R L 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来相应反映浓度变化[14]。 半导体方式的 MQ-3 酒精传感器具有灵敏度高、电路简单、使用方便、所需费用低、稳定性好以及寿命长等优点，可以把气体信号转换为电压信号输出，因此得到广泛应用。MQ-3 酒精传感器可用于机动车驾驶员呼气中酒精浓度的检测，以及其它严禁酒后操作的现场环境探测，也可用于其它场所的乙醇蒸气勘测工作等。MQ-3 酒精传感器的实物中包含有 6 只针状管脚，其中 4 个管脚（两个 A 和两个 B）用于信号读取，两个 H 脚用于提供加热电流。 MQ-3 灵敏度 市面上用的最广的酒精传感器是 MQ-3 乙醇传感器。 MQ-3 乙醇气体传感器的突出技术特点为： ★对乙醇蒸汽具有较高的灵敏度和优秀的选择性； ★响应时间短并且恢复时间短的特性； ★长期的使用寿命和可靠检测的稳定性； ★驱动电路简单；MQ-3 型气敏传感器技术指标如下： ★使用气体：酒精（乙醇）； ★探测范围：10-1000*10-6 ； ★灵敏度：air/Rin typical gas 5； ★特征气体：100*10-6； ★敏感体电阻：400-4000k?（空气中）； ★响应时间：10s（70% Response)； ★恢复时间：30s（70% Response)； ★加热电阻：31?±3?； ★加热电流：180mA； ★加热电压：5V±0.2V； ★加热功率：900mW； ★工作条件：环境温度：-10~65 摄氏度湿度：95%RH； ★贮存条件：温度-20~70 摄氏度，湿度：70%RH； MQ-3酒精传感器模块使用说明书 简要说明： 一、尺寸：32mm X22mm X27mm 长X宽X高 二、主要芯片：LM393、ZYMQ-3气体传感器 三、工作电压：直流5伏 四、特点： 1、具有信号输出指示。 2、双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出） 3、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） 4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。 5、对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性。 6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7、快速的响应恢复特性 五、应用： 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，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测 【标注说明】 【原理图】 【测试方式】 1、传感器先预热20秒左右。 2、将传感器放在无被测气体的地方，顺时针调节电位器，调节到指示灯亮，然后逆时针转 半圈，调到指示灯不亮，然后接近被测气体，指示灯亮，离开被测气体，指示灯熄灭，就证明传感器是好的！ 【测试程序】 实现功能： 1、当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平 /******************************************************************** 汇诚科技 实现功能:此版配套测试程序 使用芯片：AT89S52 晶振：11.0592MHZ 波特率：9600 编译环境：Keil 作者：zhangxinchunleo 【声明】此程序仅用于学习与参考，引用请注明版权和作者信息！ *********************************************************************/ /******************************************************************** 说明：1、当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平 *********************************************************************/ #include 2.1酒精浓度检测仪整体结构设计 单片机酒精浓度测试仪用 MQK2酒精传感器采集气体信号，并通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号送至单 片机，单片机对数字信号进行分析处理，并将所得的结果显示出来，可以通过键盘设置不同环境下酒精浓度的不同 阀值，如果所检测出的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机就能控制蜂鸣器发出声音报警。键盘采用 3个独 立键盘进行数据输入设定；显示部分用 5个数码管显示当前数据，数码管分别用 2个74HC573锁存器控制段选和位 选。本文设计的酒精浓度检测仪主要是以酒精传感器和单片机为平台设计而成的， 其硬件系统功能框图如图一所示。 图一硬件系统功能框图 酒精浓度检测仪主要是用来检测酒精浓度的，它主要由酒精传感器、模数转换器、单片机、 LCD 显示、以及声 音报警构成。 酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号，然后将电信号传送给模数转换器，经过模数转换器转换后，把 转换后得到的数字信号传给单片机，单片机对所输入的数字信号进行分析处理，最后将分析处理的结果通过显示器 显示出来。如果所检测到的空气中的酒精浓度超过了所设定的阀值，那么单片机将会控制蜂鸣器发出声音报警，用 来提示危害。 2.2 MQR2酒精传感器 MQR2酒精传感器是气敏传感器，其具有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。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电阻的变化。酒 精浓度同输出电压的近似关系如图二所示。 图二酒精浓度同输出电压的近似关系 2.3传感器信号采集电路 电路的前端部分 MQK2传感器按照常规设计即可， 如图三所示，MQK3外接+5V 电压时，可将电阻丝加热至 270 C ?300 C .电路将MQK 的阻值变化转换成输出电压 的变化，从而可以通过 A/D 转换成数字信号供单片机处理。 ** 出电压 【标注说明】 解释说明：此模块为MQ-3酒精传感器，使用前请预热20S左右： 第一步：给模块供5V直流电（注意正负极别接反，否则容易烧毁芯片）。 第二步：如果选择DOUT,TTL高低电平端，输出信号可以直接接单片机IO口或者接一个NPN型三极管去驱动继电器，电位器RP在这里用于调节输出电平跳变的阀值，由下图原理图可以分析，当传感器检测到被测气体时，比较器LM393管脚2点的电压值，跟传感器检测到气体的浓度成正比，当浓度值超过电位器RP设定的阀值时，比较器2脚的点位高于3脚的点位，这个时候，比较器1脚输出低电平，LED灯亮，R3为LED灯限流电阻，C1为滤波电容。传感器输出低电平，反之，当没有信号的时候，传感器输出高电平，等于电源电压。 第三步：如果选择AOUT，模拟量输出，那样就不用管电位器了，直接将AOUT脚接AD转换的输入端或者，带有AD功能的单片机，就可以了。根据我们的经验：在正常环境中，即：没有被测气体的环境，设定传感器输出电压值为参考电压，这时，AOUT端的电压在 1V左右，当传感器检测到被测气体时，电压每升高，实际被测气体的浓度增加20ppm（简单的说： 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。注意：如果您是用来做精密仪器，请购买市场上标准的校准仪器，不然存在误差，因为，输出浓度和电压关系的比值并非线性，而是趋于线性。 特别提醒：传感器通电后，需要预热20S左右，测量的数据才稳定，传感器发热属于正常现象，因为内部有电热丝，如果烫手就不正常了。 【原理图】 实现功能： 1、当测量浓度大于设定浓度时，单片机IO口输出低电平 /******************************************************************* * 汇诚科技 实现功能:此版配套测试程序 使用芯片：AT89S52 晶振： 波特率：9600MQ-3酒精传感器的介绍
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