酒精濃度超標報警器設計與分析

徐良雄

（武漢交通職業學院 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安全的公然挑戰。為了減少或杜絕這種現象，有必要設計一種酒精濃度超標報警器，并將它安裝在汽車內部，當駕駛人員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]。

本文設計的酒精濃度超標報警器，以LM393和MQ-3酒精傳感器為核心，具有聲光報警功能。根據不同的環境設定不同的閾值，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 酒精濃度超標報警器原理圖Fig.1 Principle circuit of overproof alarm

1 酒精濃度超標報警器工作原理及電路設計

設計采用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），在清潔空氣中電導率較低。當MQ-3傳感器所處環境中存在酒精蒸汽時，傳感器的電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加在加熱狀態下而迅速增大。酒精濃度超標報警器可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的電壓輸出信號。MQ-3半導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]。

電路原理圖設計如圖1所示。

該電路由MQ-3傳感器、電壓比較器、功率開關器件TWH8778、繼電器、發光二極管、喇叭、電阻電容和多諧振蕩器構成。220 V交流電壓經變壓器降壓、全橋整流、電容濾波后，經集成三端穩壓器穩壓成5 V直流電源（此處略去）為后面電路供電。系統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壓模塊W7805轉換為+5 V直流電源為系統供電既可。

當空氣中酒精濃度超過一定濃度時，經半導體氣敏器件MQ-3檢測，在加熱狀態下，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，且可供大的驅動電流達200 mA，驅動聲光報警器報警。當空氣中乙醇蒸氣濃度降低，低于標準值，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，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；快速的響應恢復特性；長期的壽命和可靠的穩定性。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

傳感器其結構原理圖見圖2[2]。

圖2 MQ-3酒精傳感器結構原理圖Fig.2 Principle circuit of MQ-3 alcohol sensor

圖示說明：左上角為傳感部分結構示意圖；左下角為傳感器框架結構示意圖；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酒精傳感器結構標記說明如表1所示。

表1 MQ-3酒精傳感器結構標記說明Tab.1 MQ-3 alcohol sensor structure mark explained

MQ-3氣體傳感器特性曲線參數如圖3所示。圖中酒精氣體的參數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圖Figure 3 Parameters of the characteristic curve diagram of MQ-3 sensor

另外，由于半導體氣敏元件敏感原理是基于敏感體表面的吸附反應，所以易受環境溫度、濕度影響，氣敏器件與環境溫濕度有一定的依賴關系，為提高精度和可靠性，應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熱一段時間。

2.2 電壓比較電路

LM393采用單電源操作設計，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，當低功耗比標準比較器的優勢明顯時，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雙電壓比較器，具有應用面廣泛，邏輯電路接口方便的特點，因而是我們應該首先考慮的一種電壓比較電路。其內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電源范圍內工作，驅動能力強，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字或模擬電平信號，閾值觸發電流小，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，調制電路，單穩，雙穩電路等。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NE555工作原理，選用合適的電阻與電容值，輸出適當的頻率，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光二極管構成。其中喇叭應由交流信號驅動，故將其前級NE555電路接成多諧振蕩電路形式，以產生交流信號。發光二極管與一電阻串聯后再與喇叭并聯，組成整個聲光報警電路[6]。

3 數據調試

根據電路原理圖連線，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，當輸入3腳的電壓值大于2腳的基準電壓值時，比較器輸出端1腳為高電平輸出。調節可變電阻阻值，可改變基準電壓大小，控制報警電路的靈敏度。

當空氣中酒精濃度增高，高于規定的酒精濃度，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，發現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的復位電壓，這時NE555多諧振蕩器就能正常工作，發出頻率為6.064 kHz的振蕩信號，實現聲光報警。

4 結束語

本設計以MQ-3型還原性氣體元件作為酒精傳感器，結合電壓比較電路，振蕩及報警電路以及功率開關電路實現了酒精濃度超標報警。將該酒精傳感器安裝在汽車內部，還實現當駕駛人員飲酒后使汽車無法啟動的功能。并作了可行性實驗，是一款電路設計簡單、功能完善、工作性能好的低成本傳感器。基于氣敏元件的通用性，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，可以選擇適當的靈敏度進行報警。例如在對酒精濃度要求較高的場所，可以降低比較器LM393的基準電壓，當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，可適當提高基準電壓，使靈敏度略為降低。

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