酒精濃度超標(biāo)報警器設(shè)計與分析

徐良雄

（武漢交通職業(yè)學(xué)院 機電工程系，湖北 武漢 430065）

酒后駕車、酒精泄露是對社會公共安全秩序的極大威脅，也是對人民生命財產(chǎn)安全的公然挑戰(zhàn)。為了減少或杜絕這種現(xiàn)象，有必要設(shè)計一種酒精濃度超標(biāo)報警器，并將它安裝在汽車內(nèi)部，當(dāng)駕駛?cè)藛T飲酒后汽車無法啟動，這樣可以從根本上杜絕酒后駕車，消除安全隱患[1]。

本文設(shè)計的酒精濃度超標(biāo)報警器，以LM393和MQ-3酒精傳感器為核心，具有聲光報警功能。根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)定不同的閾值，超過閾值即進行聲光報警，提示危害，并使汽車無法啟動。該報警器硬件電路設(shè)計簡單、功能完善、工作性能好，此外，還具有低功耗、低成本的特點。

圖1 酒精濃度超標(biāo)報警器原理圖Fig.1 Principle circuit of overproof alarm

1 酒精濃度超標(biāo)報警器工作原理及電路設(shè)計

設(shè)計采用MQ-3型還原性氣體酒精傳感器。它的氣敏材料是二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中電導(dǎo)率較低。當(dāng)MQ-3傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸汽時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度的增加在加熱狀態(tài)下而迅速增大。酒精濃度超標(biāo)報警器可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的電壓輸出信號。MQ-3半導(dǎo)體酒精傳感器對酒精的靈敏度高，可檢測多種濃度酒精氣氛[2]。

電路原理圖設(shè)計如圖1所示。

該電路由MQ-3傳感器、電壓比較器、功率開關(guān)器件TWH8778、繼電器、發(fā)光二極管、喇叭、電阻電容和多諧振蕩器構(gòu)成。220 V交流電壓經(jīng)變壓器降壓、全橋整流、電容濾波后，經(jīng)集成三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成5 V直流電源（此處略去）為后面電路供電。系統(tǒng)若安裝在汽車方向盤旁邊也可采取汽車電瓶供電，此時只需要將電瓶電源通過穩(wěn)壓模塊W7805轉(zhuǎn)換為+5 V直流電源為系統(tǒng)供電既可。

當(dāng)空氣中酒精濃度超過一定濃度時，經(jīng)半導(dǎo)體氣敏器件MQ-3檢測，在加熱狀態(tài)下，其A-B兩電極間電阻值迅速降低，電路中A→B→R=50 k支路的電流迅速增大使B點電位上升。B點的電位信號送到LM393比較器的3腳進行閥值判斷，由于在負載電阻R=50 kΩ上的電壓值變大，超過了LM393比較器2號管腳的電壓，引起LM393比較器1號管腳輸出高電平，經(jīng)過一個2 kΩ的上拉電阻將電壓抬高后輸入至NE555時基電路的4號管腳主復(fù)位端，使NE555時基電路的輸出端3號管腳輸出一個振蕩信號，且可供大的驅(qū)動電流達200 mA，驅(qū)動聲光報警器報警。當(dāng)空氣中乙醇蒸氣濃度降低，低于標(biāo)準(zhǔn)值，則A-B兩電極間電阻值很大，A→B→R=50 kΩ支路的電流就很小，B點電位下降。B點的電位信號再次送到LM393比較器的3腳進行閥值判斷，由于在負載電阻R=50 kΩ上的電壓值變小，低于了LM393比較器2號管腳的電壓，引起LM393比較器1號管腳輸出低電平，此時NE555時基電路就停止工作，不能輸出振蕩信號，報警電路不報警。點火裝置打開，汽車可正常啟動行駛。

空氣中酒精濃度超標(biāo)，致使輸入LM393比較器3腳電壓值增大到l.6 V時，IC2功率開關(guān)器件TWH8778還會自動接通，使繼電器J得電動作，其動斷觸點斷開，切斷汽車點火電路，強制發(fā)動機熄火，達到控制司機酒后開車的目的。

2 各電路工作原理

2.1 傳感器

MQ-3型氣敏元件是一種半導(dǎo)體氣敏元件。其特點為：對乙醇氣體有很高的靈敏度和良好的選擇性；快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性。其探測濃度范圍為0.05～10 mg/L酒精，回路電壓和加熱電壓均為5 V±0.1

傳感器其結(jié)構(gòu)原理圖見圖2[2]。

圖2 MQ-3酒精傳感器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Principle circuit of MQ-3 alcohol sensor

圖示說明：左上角為傳感部分結(jié)構(gòu)示意圖；左下角為傳感器框架結(jié)構(gòu)示意圖；中間兩圖為傳感器工作原理及電極引出示意圖；右圖為傳感器工作電路原理圖。

MQ-3酒精傳感器結(jié)構(gòu)標(biāo)記說明如表1所示。

表1 MQ-3酒精傳感器結(jié)構(gòu)標(biāo)記說明Tab.1 MQ-3 alcohol sensor structure mark explained

MQ-3氣體傳感器特性曲線參數(shù)如圖3所示。圖中酒精氣體的參數(shù)是在以下條件測得的：溫度：20℃；濕度：65%；RL=200 kΩ；R0：空氣中乙醇濃度為0.4 mg/L時的傳感器阻值；RS：不同乙醇氣體濃度時的傳感器阻值。圖3顯示：MQ-3氣體傳感器特性曲線參數(shù)對Alcohol酒精氣體是最為敏感的，因而采用MQ-3氣體傳感器是非常合適的。

圖3 MQ-3傳感器的特性曲線參數(shù)圖Figure 3 Parameters of the characteristic curve diagram of MQ-3 sensor

另外，由于半導(dǎo)體氣敏元件敏感原理是基于敏感體表面的吸附反應(yīng)，所以易受環(huán)境溫度、濕度影響，氣敏器件與環(huán)境溫濕度有一定的依賴關(guān)系，為提高精度和可靠性，應(yīng)該提供加熱電路來維持MQ-3氣體傳感器正常工作時的工作溫度。因此在使用MQ-3氣體傳感器電路正常工作時必須預(yù)熱一段時間。

2.2 電壓比較電路

LM393采用單電源操作設(shè)計，適用電壓范圍廣[3]。也可采用分離式電源，LM393電壓比較器功耗低、且不受電源電壓值的影響。即使是在單電源操作時，其輸入共摸電壓范圍也包括接地，LM393系列都可直接與TTL及CMOS邏輯電路接口[4]。無論是正電源還是負電源操作，當(dāng)?shù)凸谋葮?biāo)準(zhǔn)比較器的優(yōu)勢明顯時，LM393系列便與MOS邏輯電路直接接口。所以說LM393比較器是一種低功耗低失調(diào)雙電壓比較器，具有應(yīng)用面廣泛，邏輯電路接口方便的特點，因而是我們應(yīng)該首先考慮的一種電壓比較電路。其內(nèi)部電路與引腳電路如圖4所示。LM393引腳功能排列如表2所示。

圖4 LM393比較器引腳電路圖Fig.4 LM393 comparator pin circuit

表2 LM393引腳功能排列Tab.2 LM393 pin function arrangement

實際電路中利用LM393其中一對比較器，2腳輸入基準(zhǔn)電壓，3腳輸入待比較電壓，1腳輸出最后比較值。

2.3 振蕩及報警電路

采用NE555的多諧振蕩電路來產(chǎn)生蜂鳴器所需的交流信號。NE555為非線性模擬集成電路，其工作電源范圍寬，能在4.5～18 V電源范圍內(nèi)工作，驅(qū)動能力強，具有200 mA的吸入或供出電流，可直接推動揚聲器、電感等低阻抗負載，芯片內(nèi)部含有雙比較器，輸入可接收來自運放、比較器或其它電路的輸出數(shù)字或模擬電平信號，閾值觸發(fā)電流小，僅0.1～0.25 μA，輸出電平可與 TTL、CMOS、HTL 邏輯兼容。

NE555時基集成電路采用8腳DIP封裝，可作多諧振蕩器，調(diào)制電路，單穩(wěn)，雙穩(wěn)電路等。按照圖1連線，NE555輸出的信號如圖5所示。

圖5 多諧振蕩器波形圖Fig.5 Multivibrator waveform

根據(jù)NE555工作原理，選用合適的電阻與電容值，輸出適當(dāng)?shù)念l率，該頻率范圍以人耳所能接受頻率為佳。本電路選用的接在NE555的8腳和7腳間電阻R1為16 kΩ，接在7腳和2、6腳之間的電阻R2為168kΩ，選擇電容C為680pF，并把它接在NE555的2腳和1腳之間以構(gòu)成多諧振蕩電路。5腳和1腳之間的0.01 μF的電容在電路中起抗干擾作用[5]。

振蕩頻率計算如下：

該頻率就是時基集成模塊NE555的振蕩輸出頻率。

聲光報警部分由喇叭和發(fā)光二極管構(gòu)成。其中喇叭應(yīng)由交流信號驅(qū)動，故將其前級NE555電路接成多諧振蕩電路形式，以產(chǎn)生交流信號。發(fā)光二極管與一電阻串聯(lián)后再與喇叭并聯(lián)，組成整個聲光報警電路[6]。

3 數(shù)據(jù)調(diào)試

根據(jù)電路原理圖連線，在沒有檢測到酒精之前MQ-3氣敏元件A-B腳間的電阻值為9.95 kΩ，當(dāng)空氣中酒精濃度增大時，電阻值迅速降低，這時輸入比較器3腳的電壓值升高。另外，比較器LM393的2腳接可變電阻的2腳，其電壓大小為可變電阻1、2腳之間分配到的電壓值，稱為基準(zhǔn)電壓。比較器的工作原理就是將輸入2腳和3腳的電壓值進行比較，當(dāng)輸入3腳的電壓值大于2腳的基準(zhǔn)電壓值時，比較器輸出端1腳為高電平輸出。調(diào)節(jié)可變電阻阻值，可改變基準(zhǔn)電壓大小，控制報警電路的靈敏度。

當(dāng)空氣中酒精濃度增高，高于規(guī)定的酒精濃度，MQ-3氣敏元件電阻減小，比較器1腳輸出高電平，但值較小，如果直接接入NE555器件的4腳，發(fā)現(xiàn)NE555可能仍然不能工作，原因是比較器輸出的電壓值太小，不能達到NE555所需的工作電壓。因此在比較器輸出1腳后加上一個2 kΩ的上拉電阻，其作用是抬高比較器輸出1腳的電位，使輸出高電平時達到NE555的復(fù)位電壓，這時NE555多諧振蕩器就能正常工作，發(fā)出頻率為6.064 kHz的振蕩信號，實現(xiàn)聲光報警。

4 結(jié)束語

本設(shè)計以MQ-3型還原性氣體元件作為酒精傳感器，結(jié)合電壓比較電路，振蕩及報警電路以及功率開關(guān)電路實現(xiàn)了酒精濃度超標(biāo)報警。將該酒精傳感器安裝在汽車內(nèi)部，還實現(xiàn)當(dāng)駕駛?cè)藛T飲酒后使汽車無法啟動的功能。并作了可行性實驗，是一款電路設(shè)計簡單、功能完善、工作性能好的低成本傳感器?；跉饷粼耐ㄓ眯?，電路1還可以由實際需要進行改進。例如可以改用檢測其它泄漏氣體濃度，只要選擇合適的氣敏元件進行替代就可，電路其他部分均無需改動，十分方便實用。該報警電路在不同需要使用中，可以選擇適當(dāng)?shù)撵`敏度進行報警。例如在對酒精濃度要求較高的場所，可以降低比較器LM393的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)有輕微酒精濃度升高就能進行報警。另外在其它濃度要求不高的場所，可適當(dāng)提高基準(zhǔn)電壓，使靈敏度略為降低。

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