一款简易防酒驾报警提示器的设计*

2021-01-22罗平刘天成

数字技术与应用 2020年12期

罗平刘天成

(湛江幼儿师范专科学校信息科学系，广东湛江 524084)

0 前言

随着我国逐步进入全面小康社会，人民生活水平也逐步提高，对各种要求有了很大的改变，比如出行方式由以前的自行车、摩托车变成现在的小轿车。一件事物的改变往往有两面性，形形色色的小轿车出现提高了人们的出行效率。但它也带来了很多问题，比如道路交通安全问题。目前交警部门对醉酒驾驶的检查手段多数靠仪器测量喝酒驾驶人呼出气体的酒精含量或抽取血液以检测酒精的含量，这些方法会造成交通的拥堵和浪费社会资源和医疗资源[1]。如果能设计出简单的能在线检测酒精的仪器则能较好的解决这个问题。基于此本文采用气敏元件MQ-3酒精传感器，设计了一款简易的防酒驾提示器，其能将气体中含有的酒精浓度转换为电压，并将电压经LM393比较器比较输出，最后根据具体情况判断发出语音报警或控制汽车停车。

1 电路主要元件结构和工作原理

图1 MQ-3原理图

1.1 MQ-3酒精传感器

MQ气体传感器里面的材料主要由敏感材料构成，这种敏感材料是金属氧化物添加铂催化剂等按烧结而成。最常见的金属氧化物其中的一种就是SnO2，这种金属氧化物被加热到一定温度时，因为半导体表面带负电荷，会把氧原子吸在其表面。这样就会使得氧原子就变成了氧负离子，从而使得一个正的空间电荷层在这种半导体的表面形成。从而使半导体的电阻变大。

当温度升高时，氧负离子与还原性气体发生化学反应，氧负离子与还原性气体发生氧化还原反应，半导体表面氧负离子浓度减小，传感器的电导率增加。

文献[2]和其他文献中提出了MQ-3酒精传感器工作时的电路结构如图1所示，其中传感器的2，5管脚之间的电阻接通电源起加热作用。1，4管脚之间是传感器电阻，其与滑动变阻器串联。它在被加热后阻值会随外界酒精浓度升高而减小，使得滑动变阻器的电压发生变化从而被后续电路检测到。

1.2 LM393

LM393是双电压比较器集成电路。它是一种增益比较高，频带也比较宽的一种放大比较器件，在应用时，输出端至输入端经常存在杂散电容，可能引起振荡产生，因此需设法阻止此情况发生。它加上驱动电路之后可以驱动发光二极管和语音模块工作。

在此电路中，采集电压接到比较器的两个输入端与不同的固定电压作比较，使得传感器周围的酒精浓度不同时，电路能有不同的警告输出。该比较器灵敏度高，比较电压输出较快。

图2 电路原理图

图3 防酒驾报警提示器

2 报警提示器电路结构和工作原理

本提示器主要由三部分构成，分别为传感部分、信号比较部分和提示部分，电路采用直流电源供电，实验中采用手提电脑的USB线直接供电，在汽车中也可由点烟器电源接口电源中直接引出使用。酒精传感器MQ-3和发光二极管和语音模块都是采用5V或4.7V的电压供电，整个设计电路如图2所示。

酒精传感器和滑动电阻RP1串联起来，当有酒精放置于酒精传感器傍边或对其吹气的时候，传感器周围酒精浓度升高，使得MQ-3传感器的电导率变大，传感器的电压降变小，滑动电阻RP1的电压随之升高。经RP1分出的接入到LM393的3管脚和5管脚的电压也随之升高，这个电压和LM393的2管脚、6管脚的两个不同的固定电压比较，可得到不同的输出警告。当RP1分出电压比6管脚电压高时7管脚输出高电平，三极管Q1导通，发光二级管点亮，否则发光二级管不亮。当RP1分出电压比LM393的2管脚固定电压高时，1管脚输出高电平，三极管Q1、Q2导通，发光二级管点亮，三极管Q2驱动语音模块工作，起到提醒作用。

表1 VS=2.3V,所测各处电压

按照电路的设计做出的提示器实物如图3。

3 电路测试

测试时，接上电源，将MQ-3的气敏电阻加热几分钟，这样做一方面可以加快酒精气体的化学吸附，另一方面能有效清除传感器电阻表面的杂质，测试时用棉花棒沾上医用酒精后沿着传感器表面慢慢接近，传感器附近的酒精浓度会慢慢升高，当浓度升高到一定程度时，采集电压升高，发光二级管就会被点亮，酒精浓度过高，则还会启动语音模块发出警报。如果电源电压不够，预热时间不足，则可能会导致测试的失败。

调试时先用电压VS为2.3V的电源供电，调整滑动变阻器RP1在某一位置，测得采集电压V3为0.36V，RP2调整到V6(对地)比V3稍大一点。测得电路中各部分的电压在放置棉签前和放棉签后的数值如表1所示。

表2 VS=2.3V改变V3,V6时所测各处电压

表3 VS=5V所测各处电压

由表1可直观看出，沾有酒精的棉签靠近后，传感器的电阻减少，输出采集电压V3变大，但因为电源电压过小，输出采集电压变化不大使得电路不能输出报警信号。

保持电源VS电压不变，调整滑动变阻器RP1使得采集电压变大为V3(对地)=0.8V，RP2调整为V6(对地)=0.85V时测试得电路各部分电压如表2所示。

测试结果为沾有酒精的棉签靠近后发光二极管微亮，反映更高酒精浓度的语音识别模块不能正常工作。原因为电源电压无法给语音模块提供正常的工作电压。

接着用电压为5V的电源给电路供电，在调整滑动变阻器RP1在某一位置，测得没放棉签时采集电压V3(对地)为一个较大的值1.13V。此时调整滑动变阻器RP1使得V6(对地)=1.43V，测得电路中各部分的电压在放置棉签前和放棉签后的数值如表3所示。

测试结果显示电源电压提高后，沾有酒精的棉签靠近时，酒精传感器的电阻减小很多，滑动变阻器的电压变化很大，可以较大的提高采集电压的电压变化达到0.4V，比较器可以输出较大的电压使三极管导通驱动发光二极管点亮和语音识别模块正常工作。文献[3]中指出在测试过程中，如果酒精棉签在靠近传感器时，发现发光二极管点不够及时，语音模块启动比较慢，说明电路不够灵敏，传感器输入的电压不够大。可通过调节滑动电阻RP1传感器输入的电压，情况仍没改善，则可通过调小滑动变阻器RP2的阻值，使得接入比较器的固定比较电压降低，提高电路灵敏度。在5V的工作电压下，为提高电路的灵敏度，调整使得V3=2.22V时，通过调整RP2来调整V6=2.51V，采集电压的电压变化达到0.8V来能保证电路正常工作，电路的灵敏性大大增加。测得的电路中各电压如表4所示。