一款簡(jiǎn)易防酒駕報(bào)警提示器的設(shè)計(jì)*

羅平 劉天成

(湛江幼兒師范專科學(xué)校信息科學(xué)系，廣東湛江 524084)

0 前言

隨著我國(guó)逐步進(jìn)入全面小康社會(huì)，人民生活水平也逐步提高，對(duì)各種要求有了很大的改變，比如出行方式由以前的自行車、摩托車變成現(xiàn)在的小轎車。一件事物的改變往往有兩面性，形形色色的小轎車出現(xiàn)提高了人們的出行效率。但它也帶來了很多問題，比如道路交通安全問題。目前交警部門對(duì)醉酒駕駛的檢查手段多數(shù)靠?jī)x器測(cè)量喝酒駕駛?cè)撕舫鰵怏w的酒精含量或抽取血液以檢測(cè)酒精的含量，這些方法會(huì)造成交通的擁堵和浪費(fèi)社會(huì)資源和醫(yī)療資源[1]。如果能設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的能在線檢測(cè)酒精的儀器則能較好的解決這個(gè)問題。基于此本文采用氣敏元件MQ-3酒精傳感器，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的防酒駕提示器，其能將氣體中含有的酒精濃度轉(zhuǎn)換為電壓，并將電壓經(jīng)LM393比較器比較輸出，最后根據(jù)具體情況判斷發(fā)出語音報(bào)警或控制汽車停車。

1 電路主要元件結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 MQ-3原理圖

1.1 MQ-3酒精傳感器

MQ氣體傳感器里面的材料主要由敏感材料構(gòu)成，這種敏感材料是金屬氧化物添加鉑催化劑等按燒結(jié)而成。最常見的金屬氧化物其中的一種就是SnO2，這種金屬氧化物被加熱到一定溫度時(shí)，因?yàn)榘雽?dǎo)體表面帶負(fù)電荷，會(huì)把氧原子吸在其表面。這樣就會(huì)使得氧原子就變成了氧負(fù)離子，從而使得一個(gè)正的空間電荷層在這種半導(dǎo)體的表面形成。從而使半導(dǎo)體的電阻變大。

當(dāng)溫度升高時(shí)，氧負(fù)離子與還原性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氧負(fù)離子與還原性氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，半導(dǎo)體表面氧負(fù)離子濃度減小，傳感器的電導(dǎo)率增加。

文獻(xiàn)[2]和其他文獻(xiàn)中提出了MQ-3酒精傳感器工作時(shí)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中傳感器的2，5管腳之間的電阻接通電源起加熱作用。1，4管腳之間是傳感器電阻，其與滑動(dòng)變阻器串聯(lián)。它在被加熱后阻值會(huì)隨外界酒精濃度升高而減小，使得滑動(dòng)變阻器的電壓發(fā)生變化從而被后續(xù)電路檢測(cè)到。

1.2 LM393

LM393是雙電壓比較器集成電路。它是一種增益比較高，頻帶也比較寬的一種放大比較器件，在應(yīng)用時(shí)，輸出端至輸入端經(jīng)常存在雜散電容，可能引起振蕩產(chǎn)生，因此需設(shè)法阻止此情況發(fā)生。它加上驅(qū)動(dòng)電路之后可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和語音模塊工作。

在此電路中，采集電壓接到比較器的兩個(gè)輸入端與不同的固定電壓作比較，使得傳感器周圍的酒精濃度不同時(shí)，電路能有不同的警告輸出。該比較器靈敏度高，比較電壓輸出較快。

圖2 電路原理圖

圖3 防酒駕報(bào)警提示器

2 報(bào)警提示器電路結(jié)構(gòu)和工作原理

本提示器主要由三部分構(gòu)成，分別為傳感部分、信號(hào)比較部分和提示部分，電路采用直流電源供電，實(shí)驗(yàn)中采用手提電腦的USB線直接供電，在汽車中也可由點(diǎn)煙器電源接口電源中直接引出使用。酒精傳感器MQ-3和發(fā)光二極管和語音模塊都是采用5V或4.7V的電壓供電，整個(gè)設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

酒精傳感器和滑動(dòng)電阻RP1串聯(lián)起來，當(dāng)有酒精放置于酒精傳感器傍邊或?qū)ζ浯禋獾臅r(shí)候，傳感器周圍酒精濃度升高，使得MQ-3傳感器的電導(dǎo)率變大，傳感器的電壓降變小，滑動(dòng)電阻RP1的電壓隨之升高。經(jīng)RP1分出的接入到LM393的3管腳和5管腳的電壓也隨之升高，這個(gè)電壓和LM393的2管腳、6管腳的兩個(gè)不同的固定電壓比較，可得到不同的輸出警告。當(dāng)RP1分出電壓比6管腳電壓高時(shí)7管腳輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通，發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮，否則發(fā)光二級(jí)管不亮。當(dāng)RP1分出電壓比LM393的2管腳固定電壓高時(shí)，1管腳輸出高電平，三極管Q1、Q2導(dǎo)通，發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮，三極管Q2驅(qū)動(dòng)語音模塊工作，起到提醒作用。

表1 VS=2.3V,所測(cè)各處電壓

按照電路的設(shè)計(jì)做出的提示器實(shí)物如圖3。

3 電路測(cè)試

測(cè)試時(shí)，接上電源，將MQ-3的氣敏電阻加熱幾分鐘，這樣做一方面可以加快酒精氣體的化學(xué)吸附，另一方面能有效清除傳感器電阻表面的雜質(zhì)，測(cè)試時(shí)用棉花棒沾上醫(yī)用酒精后沿著傳感器表面慢慢接近，傳感器附近的酒精濃度會(huì)慢慢升高，當(dāng)濃度升高到一定程度時(shí)，采集電壓升高，發(fā)光二級(jí)管就會(huì)被點(diǎn)亮，酒精濃度過高，則還會(huì)啟動(dòng)語音模塊發(fā)出警報(bào)。如果電源電壓不夠，預(yù)熱時(shí)間不足，則可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試的失敗。

調(diào)試時(shí)先用電壓VS為2.3V的電源供電，調(diào)整滑動(dòng)變阻器RP1在某一位置，測(cè)得采集電壓V3為0.36V，RP2調(diào)整到V6(對(duì)地)比V3稍大一點(diǎn)。測(cè)得電路中各部分的電壓在放置棉簽前和放棉簽后的數(shù)值如表1所示。

表2 VS=2.3V改變V3,V6時(shí)所測(cè)各處電壓

表3 VS=5V所測(cè)各處電壓

由表1可直觀看出，沾有酒精的棉簽靠近后，傳感器的電阻減少，輸出采集電壓V3變大，但因?yàn)殡娫措妷哼^小，輸出采集電壓變化不大使得電路不能輸出報(bào)警信號(hào)。

保持電源VS電壓不變，調(diào)整滑動(dòng)變阻器RP1使得采集電壓變大為V3(對(duì)地)=0.8V，RP2調(diào)整為V6(對(duì)地)=0.85V時(shí)測(cè)試得電路各部分電壓如表2所示。

測(cè)試結(jié)果為沾有酒精的棉簽靠近后發(fā)光二極管微亮，反映更高酒精濃度的語音識(shí)別模塊不能正常工作。原因?yàn)殡娫措妷簾o法給語音模塊提供正常的工作電壓。

接著用電壓為5V的電源給電路供電，在調(diào)整滑動(dòng)變阻器RP1在某一位置，測(cè)得沒放棉簽時(shí)采集電壓V3(對(duì)地)為一個(gè)較大的值1.13V。此時(shí)調(diào)整滑動(dòng)變阻器RP1使得V6(對(duì)地)=1.43V，測(cè)得電路中各部分的電壓在放置棉簽前和放棉簽后的數(shù)值如表3所示。

測(cè)試結(jié)果顯示電源電壓提高后，沾有酒精的棉簽靠近時(shí)，酒精傳感器的電阻減小很多，滑動(dòng)變阻器的電壓變化很大，可以較大的提高采集電壓的電壓變化達(dá)到0.4V，比較器可以輸出較大的電壓使三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮和語音識(shí)別模塊正常工作。文獻(xiàn)[3]中指出在測(cè)試過程中，如果酒精棉簽在靠近傳感器時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管點(diǎn)不夠及時(shí)，語音模塊啟動(dòng)比較慢，說明電路不夠靈敏，傳感器輸入的電壓不夠大。可通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻RP1傳感器輸入的電壓，情況仍沒改善，則可通過調(diào)小滑動(dòng)變阻器RP2的阻值，使得接入比較器的固定比較電壓降低，提高電路靈敏度。在5V的工作電壓下，為提高電路的靈敏度，調(diào)整使得V3=2.22V時(shí)，通過調(diào)整RP2來調(diào)整V6=2.51V，采集電壓的電壓變化達(dá)到0.8V來能保證電路正常工作，電路的靈敏性大大增加。測(cè)得的電路中各電壓如表4所示。

表4 VS=5V,改變V3,V6時(shí)所測(cè)各處電壓

由上可以知，調(diào)大采集電壓的大小和比較器的比較電壓大小，能在檢測(cè)酒精的時(shí)候提高采集電壓的變化量，從而提高酒精檢測(cè)的靈敏性。

4 結(jié)語

該儀器的設(shè)計(jì)是利用應(yīng)用電子技術(shù)的專業(yè)特點(diǎn)，學(xué)以致用，運(yùn)用已學(xué)的專業(yè)課《電路分析基礎(chǔ)》《傳感器技術(shù)》《模擬電子技術(shù)》《電子CAD》等做出了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的小作品，該作品稍加改進(jìn)后即可運(yùn)用到汽車上，簡(jiǎn)易而實(shí)用。