便攜式酒精檢測儀器的設計與仿真(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 1C13 3 pC23 3 pX1CR Y S T A LR14 .7 kC31 0 u F輸入端斷開， C0 將從 7805 的輸出端向其放電，極易導致 7805 的損壞，為此在集成穩壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個二極管，可起到正向導通， 箔位 電壓的保護作用 。 其中輸入電源可以用 612V 直流電源，滿足便攜的要求。 圖 5V電源電路圖 傳感器的篩選 氣敏傳感器的分類和性能 氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測出來，并將其轉化為電信號的器件。通常根據氣敏特性來分類，主要分為：半導體氣敏傳感器、固體電解質氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、電化學式氣敏傳感器、光學式氣敏傳感器、高分子氣敏傳感器、導熱式傳感器等，下面是幾種目前技術成熟、應用廣泛的氣敏傳感器 [5]。 (1)半導體氣敏傳感器 半導體氣敏傳感器應用最為廣泛，它主要是以氧化物半導體作為基本材料，使氣體吸附在該半導體表面，利用由此 而產生的電導率變化現象而制作的器件。然而，半導體電導率變化的機理，即氣敏機理是非常復雜的，事實上在某些方面尚無定論，一般認為下列六個因素會對其產生影響。 ① 氣敏材料不是單晶體 。 ② 為了改善元件的選擇性和靈敏度，一般往金屬氧化物中添加催化劑，為提高元件強度還需要添加粘合劑 。 ③ 利用的是物質的表面 。 ④ 元件在較高的溫度下（一般 100－ 400℃ ） 。 ⑤ 被測氣體種類繁多，它們各有不同的特性 。 ⑥ 吸附過程本身比較復雜，既有物理型吸附，又有化學型吸附等。 人們通過長期的基礎研究，將這些非常復雜的因素影響的氣敏現象，歸納 成四種模式，即整體原子價控制理論、能級生成理論、表面電荷層理論、接觸粒界位壘理論，分別從不同角度來解釋不同類型半導體傳感器的工作原理。 最常見的 SNO ZNO 半導體傳感器的氣敏機理就是用能級生成理論來解釋的。該元件由涂一層半導體的圓筒狀陶瓷骨構成，半導體有 P 型、 N 型之分，這取決于加入的金屬成分。 由于還原性氣體時候容易給出電子，使得 N 型半導體中電子數目增大，載流子增加，電阻降低；當它遇到氧化性氣體（如 O2）時，由于氧化性氣體容易奪取電子，使得 N 型半導體中電子數目減少，載流子減少，電阻增大 【 7】 。 P 型半導體傳 感器中多數載流子是空穴，遇到還原性氣體時，由于還原性氣體容易給出電子，中和了部分空穴，載流子減少，電阻增大；當它遇到氧化性氣體時，由于氧化性氣體容易奪取電子，使得空穴數目增加，載流子增加，電阻減少。 (2)固體電解質氣體傳感器 固體電解質氣體傳感器是一種以離子導體為電解質的化學電池。從 70 年代開始，由于固體電解質氣體傳感器導電率高，靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發展，現在幾乎在環保、節能、礦業、汽車工業等各個領域得到了廣泛的應用，其產量和應用僅次于金屬氧化物半導體氣敏傳感器。該種傳感器主要分為以下三類：一類 ：材料中吸附由待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子相同的傳感器，例如氧傳感器等；二類：材料中吸附由待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子不相同的傳感器，例如用于測量氧氣的由固體電解質 SRF2H 和 PT 電極組成的氣體傳感器；三類：材料中吸附由待測氣體派生的離子與電解質中的移動離子以及材料中的固定離子都不相同的傳感器。目前開發的高質量固體傳感器絕大多數屬于第三類。 (3)接觸燃燒式氣敏傳感器 接觸燃燒式氣敏傳感器的基本原理是在一根鉑絲上涂上高阻的燃燒催化劑，另一根鉑絲上以惰性氣體密封，組成阻值相等的一對元件，常 稱為黑元件、白元件，有時也用其它金屬絲代替鉑絲。由這一對元件和外加的兩個固定電阻組成橋式檢測電路，在一定的橋流下，黑白元件保持在 300－ 500℃的高溫狀態，當可燃性氣體一旦與黑白元件接觸，就會發生無煙燃燒反應，使鉑絲上溫度升高，電阻增大，原來平衡的電橋失去平衡，輸出一個電信號，這一電信號與可燃性氣體的濃度成線性關系，可以很容易地求出對應的氣體濃度值，電路中白元件起環境溫度補償作用。這種元件成本低廉，性能穩定，壽命長，便于推廣使用，但是它要消耗一定的被檢氣體。日本三菱株式會社生產的在線監測儀就是用這種傳感器檢 測可燃氣體的，北京電科院研制的變壓器油中溶解氫氣在線監測儀也用了這種傳感器。 (4)電化學式氣敏傳感器 電化學式氣敏傳感器可以分為原電池式、定電位電解式、電量式、離子電極式四種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的濃度，市場上銷售的檢測缺氧的儀器幾乎都配有這種傳感器，今年來，又開發惡劣檢測酸性氣體和毒性氣體的原電池式傳感器。定電位式傳感器是通過測量電解時流過的電流來檢測氣體的濃度，和原電池式不同的是，它需要由外界施加特定的電壓，它除了能檢測 CO、 NO、 NOO SO2 等氣體以外，還能檢測血液中 氧濃度。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質反應產生的電流來檢測氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器出現的較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的濃度。電化學式氣體傳感器主要的優點是檢測氣體的靈敏度高，選擇性好。 (5)光學式氣體傳感器 光學式氣體傳感器主要是以紅外線吸收式氣體分析儀為主，由于不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。目前的最新動向是研制開發流體切換式、流程直接測定式和傅立葉變換式在線紅外分析儀。該傳感器具有高抗振能力和抗污染能力，與計算機相結合，能連續測試分析氣體，具有自動 校正、自動運行的功能。光學式氣體傳感器還包括化學發光式、光纖熒光式和光纖波導式傳感器，其主要優點是靈敏度高，可靠性好。 (6)高分子氣敏傳感器 近年來，國外在高分子氣敏材料的研究和開發上有了很大的進展。高分子氣敏材料由于具有易于操作性，工藝簡單，常溫選擇性好，價格低廉，易于與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性氣體和食品保鮮度等方面檢測具有重要作用。 (7)導熱式傳感器 導熱式傳感器的檢測電路與接觸燃燒式基本相同，將測量元件（鉑或其它金屬電阻線圈）和補償元件 (以惰性氣體密封 )接在橋式檢測電路中，基本工作 原理是，將鉑電阻通電流加熱使之保持一定的溫度，當待測氣體流過傳感器時，由于向待測氣體傳送熱量會造成溫度降低，不同種類，不同濃度氣體的熱導系統不同，引起的溫度變化也不同；溫度變化引起電阻值的變化，使原來平衡的電橋失去平衡，輸出一個電信號，這一信號與被測氣體的濃度有很好的線性關系。熱導系數是氣體的固有物理特性，所以該傳感器不會消耗被測氣體，而且不容易被氧化物腐蝕而使氣敏性能變差，具有良好的穩定性。測量范圍大，可以測高達 100％的濃度。這種傳感器的氣敏條件是待測氣體與環境氣體（空氣）的熱導系數有很大的差別，一些和 空氣熱導系數相近的氣體（ CO、 N O2 等）就無法測量。常規色譜儀中所用的熱導池監測器（ TCD）的氣敏原理與這種傳感器類似。 各種氣敏傳感器的性能比較 表 和表 列出了上述各種氣敏傳感器的性能比較，是選擇傳感器的重要依據。 表 各種氣敏傳感器可檢測氣體的種類 傳感器種類 H2 CO CO2 CH4 C2H4,C2H2,C2H6 半導體 能 能 能 能 能 接觸燃燒 能 不太好 不能 能 能 電化學 能 能 能 不能 不能 導熱 能 能 能 能 能 表 各種氣敏傳感器性 能比較 半導體 接觸燃燒式 電化學式 導熱式 靈敏度 非常好 好 非常好 差 測量精度 好 非常好 好 好 選擇性 好 不太好 好 差 響應速度 非常好 好 不太好 好 長期穩定性 好 好 差 好 維修性 非常好 好 差 好 經濟性 非常好 非常好 好 好 本課題選用的是 MQ3 型氣敏傳感器。其有很高的靈敏度、良好的選擇性、長期的使用壽命和可靠的穩定性。 MQ3 型氣敏傳感器由微型 A12 O3 陶瓷管和 SNO2 敏感層、測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內，加熱器 為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。傳感器的標準回路有兩部分組成。其一為加熱回路，其二為信號輸出回路，它可以準確反映傳感器表面電阻值的變化 傳感器的表面電阻 RS 的變化，是通過與其串聯的負載電阻 RL 上的有效電壓信號 URL 輸出面獲得的 二者之間的關系表述為： RS／ RL=(UC— URL)／ URL，其中 UC 為回路電壓為 10V。負載電阻 RL 可調為 。加熱電壓 UH 為 5V。上述這些參數使得傳感器輸出電壓為 05V。 MQ3 型氣敏傳感器的結構和外形如圖 所示，標準回路如圖 所示，傳感器阻值變化率與酒 精濃度、外界溫度的關系圖如圖 所示。為了使測量的精度達到最高，誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預熱 5 分鐘 [6]。 圖 氣敏傳感器的結構圖與符號圖 圖 圖 傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度之間的關系 半導體氣敏傳感器的結構和檢測原理 氣敏傳感器結構如圖 所示 ， 它是由塑料底座、電極引線、氣敏元件、加熱器、雙層不銹鋼網（防爆用）組成，一般情況下，它的引線是 6 個，其中兩個 A 及兩個B 各自相連后成為 氣敏元件的引線， H 兩端為加熱器引線，其符號圖 所示 ， H接加熱電壓 5V， A 或者 B 接回路電壓 5V，它們之間為氣敏電阻；特性曲線如圖，圖中給出了不同氣體不同濃度時 RS/R0 值的變化規律。其中 R0 為元件在潔凈空氣中的電阻值， RS 為元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。 AD 轉換電路的設計 ADCO809 芯片為八通道模數轉換器，可以將八個通道輸入的模擬電壓轉換為 8位二進制數，該芯片采用 28 引腳雙列直插式封裝。 ADC0809 芯片引腳如圖 52 所示。 IN0~IN7 為模擬量輸入通道。 ADDC、 ADDB、 ADDA 為地址線，用于對模擬通道進行選擇，在與單片機的連接關系中，由最低位的 3 個地址線 、 、 來提供 [7]。 CLOCK 為時鐘信號， ADC0809 的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，在電路連接中，由單片機輸出的信號 ALE 經過 D 觸發器 74LS74 構成的分頻器，送給 ADC0809 時鐘輸入端 CLOCK。 START 為轉換啟動信號。 START 上跳沿 時，所有內部寄存器清 0。START 下跳沿時，開 始進行 A/D 轉換。在 A/D 轉換期間， START 應保持低電平。 MSB2L~LSB28 為數據輸出線，三態緩 沖輸出形式，可以和單片機的數據線直接相連。 EOC 為轉換結束狀態信號。當 EOC=0 時， 正在進行轉換 。當 EOC=1 時，轉換結束。該 狀態信號既可作為查詢的狀態標志，又可以作為 中斷請求信號使用。 OUTPUT ENABLE 為輸出允許信號，用 圖 ADC0809 引腳圖 于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。當 OUTPUT ENABLE=0時，輸出數據線呈高電阻 。當 OUTPUT ENABLE=1 時，輸出轉換得到的數據。 八路模擬信號通道選擇 C、 B、 A 分別接到 、 、 ，再經過 74LS373鎖存器的輸出 。 一方面同寫控制信號 WR 一起，經或非門后送給轉換啟動信號START 和地址鎖存信號 ALE，另一方面同讀控制信號 RD 一 起，經或非門后送給轉換結果輸出允許信號 OUTPUT ENABLE，因此啟動 A/D 轉換需完成寫操作，2 1 M S B21A DD B24A DD A25A DD C23V RE F ( + )12V RE F ( )16IN31IN42IN53IN64IN75S T A RT62 58E O C7O UT P UT E NA B L E9CLO C K10V C C112 220G ND132 7142 6152 8 L S B172 4182 319IN2