酒精浓度超标报警器设计与分析

徐良雄

（武汉交通职业学院 机电工程系，湖北 武汉 430065）

酒后驾车、酒精泄露是对社会公共安全秩序的极大威胁，也是对人民生命财产安全的公然挑战。为了减少或杜绝这种现象，有必要设计一种酒精浓度超标报警器，并将它安装在汽车内部，当驾驶人员饮酒后汽车无法启动，这样可以从根本上杜绝酒后驾车，消除安全隐患[1]。

本文设计的酒精浓度超标报警器，以LM393和MQ-3酒精传感器为核心，具有声光报警功能。根据不同的环境设定不同的阈值，超过阈值即进行声光报警，提示危害，并使汽车无法启动。该报警器硬件电路设计简单、功能完善、工作性能好，此外，还具有低功耗、低成本的特点。

图1 酒精浓度超标报警器原理图Fig.1 Principle circuit of overproof alarm

1 酒精浓度超标报警器工作原理及电路设计

设计采用MQ-3型还原性气体酒精传感器。它的气敏材料是二氧化锡（SnO2），在清洁空气中电导率较低。当MQ-3传感器所处环境中存在酒精蒸汽时，传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加在加热状态下而迅速增大。酒精浓度超标报警器可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电压输出信号。MQ-3半导体酒精传感器对酒精的灵敏度高，可检测多种浓度酒精气氛[2]。

电路原理图设计如图1所示。

该电路由MQ-3传感器、电压比较器、功率开关器件TWH8778、继电器、发光二极管、喇叭、电阻电容和多谐振荡器构成。220 V交流电压经变压器降压、全桥整流、电容滤波后，经集成三端稳压器稳压成5 V直流电源（此处略去）为后面电路供电。系统若安装在汽车方向盘旁边也可采取汽车电瓶供电，此时只需要将电瓶电源通过稳压模块W7805转换为+5 V直流电源为系统供电既可。

当空气中酒精浓度超过一定浓度时，经半导体气敏器件MQ-3检测，在加热状态下，其A-B两电极间电阻值迅速降低，电路中A→B→R=50 k支路的电流迅速增大使B点电位上升。B点的电位信号送到LM393比较器的3脚进行阀值判断，由于在负载电阻R=50 kΩ上的电压值变大，超过了LM393比较器2号管脚的电压，引起LM393比较器1号管脚输出高电平，经过一个2 kΩ的上拉电阻将电压抬高后输入至NE555时基电路的4号管脚主复位端，使NE555时基电路的输出端3号管脚输出一个振荡信号，且可供大的驱动电流达200 mA，驱动声光报警器报警。当空气中乙醇蒸气浓度降低，低于标准值，则A-B两电极间电阻值很大，A→B→R=50 kΩ支路的电流就很小，B点电位下降。B点的电位信号再次送到LM393比较器的3脚进行阀值判断，由于在负载电阻R=50 kΩ上的电压值变小，低于了LM393比较器2号管脚的电压，引起LM393比较器1号管脚输出低电平，此时NE555时基电路就停止工作，不能输出振荡信号，报警电路不报警。点火装置打开，汽车可正常启动行驶。

空气中酒精浓度超标，致使输入LM393比较器3脚电压值增大到l.6 V时，IC2功率开关器件TWH8778还会自动接通，使继电器J得电动作，其动断触点断开，切断汽车点火电路，强制发动机熄火，达到控制司机酒后开车的目的。

2 各电路工作原理

2.1 传感器

MQ-3型气敏元件是一种半导体气敏元件。其特点为：对乙醇气体有很高的灵敏度和良好的选择性；快速的响应恢复特性；长期的寿命和可靠的稳定性。其探测浓度范围为0.05～10 mg/L酒精，回路电压和加热电压均为5 V±0.1

传感器其结构原理图见图2[2]。

图2 MQ-3酒精传感器结构原理图Fig.2 Principle circuit of MQ-3 alcohol sensor

图示说明：左上角为传感部分结构示意图；左下角为传感器框架结构示意图；中间两图为传感器工作原理及电极引出示意图；右图为传感器工作电路原理图。

MQ-3酒精传感器结构标记说明如表1所示。

表1 MQ-3酒精传感器结构标记说明Tab.1 MQ-3 alcohol sensor structure mark explained

MQ-3气体传感器特性曲线参数如图3所示。图中酒精气体的参数是在以下条件测得的：温度：20℃；湿度：65%；RL=200 kΩ；R0：空气中乙醇浓度为0.4 mg/L时的传感器阻值；RS：不同乙醇气体浓度时的传感器阻值。图3显示：MQ-3气体传感器特性曲线参数对Alcohol酒精气体是最为敏感的，因而采用MQ-3气体传感器是非常合适的。

图3 MQ-3传感器的特性曲线参数图Figure 3 Parameters of the characteristic curve diagram of MQ-3 sensor

另外，由于半导体气敏元件敏感原理是基于敏感体表面的吸附反应，所以易受环境温度、湿度影响，气敏器件与环境温湿度有一定的依赖关系，为提高精度和可靠性，应该提供加热电路来维持MQ-3气体传感器正常工作时的工作温度。因此在使用MQ-3气体传感器电路正常工作时必须预热一段时间。

2.2 电压比较电路

LM393采用单电源操作设计，适用电压范围广[3]。也可采用分离式电源，LM393电压比较器功耗低、且不受电源电压值的影响。即使是在单电源操作时，其输入共摸电压范围也包括接地，LM393系列都可直接与TTL及CMOS逻辑电路接口[4]。无论是正电源还是负电源操作，当低功耗比标准比较器的优势明显时，LM393系列便与MOS逻辑电路直接接口。所以说LM393比较器是一种低功耗低失调双电压比较器，具有应用面广泛，逻辑电路接口方便的特点，因而是我们应该首先考虑的一种电压比较电路。其内部电路与引脚电路如图4所示。LM393引脚功能排列如表2所示。

图4 LM393比较器引脚电路图Fig.4 LM393 comparator pin circuit

表2 LM393引脚功能排列Tab.2 LM393 pin function arrangement

实际电路中利用LM393其中一对比较器，2脚输入基准电压，3脚输入待比较电压，1脚输出最后比较值。

2.3 振荡及报警电路

采用NE555的多谐振荡电路来产生蜂鸣器所需的交流信号。NE555为非线性模拟集成电路，其工作电源范围宽，能在4.5～18 V电源范围内工作，驱动能力强，具有200 mA的吸入或供出电流，可直接推动扬声器、电感等低阻抗负载，芯片内部含有双比较器，输入可接收来自运放、比较器或其它电路的输出数字或模拟电平信号，阈值触发电流小，仅0.1～0.25 μA，输出电平可与 TTL、CMOS、HTL 逻辑兼容。

NE555时基集成电路采用8脚DIP封装，可作多谐振荡器，调制电路，单稳，双稳电路等。按照图1连线，NE555输出的信号如图5所示。

图5 多谐振荡器波形图Fig.5 Multivibrator waveform

根据NE555工作原理，选用合适的电阻与电容值，输出适当的频率，该频率范围以人耳所能接受频率为佳。本电路选用的接在NE555的8脚和7脚间电阻R1为16 kΩ，接在7脚和2、6脚之间的电阻R2为168kΩ，选择电容C为680pF，并把它接在NE555的2脚和1脚之间以构成多谐振荡电路。5脚和1脚之间的0.01 μF的电容在电路中起抗干扰作用[5]。

振荡频率计算如下：

该频率就是时基集成模块NE555的振荡输出频率。

声光报警部分由喇叭和发光二极管构成。其中喇叭应由交流信号驱动，故将其前级NE555电路接成多谐振荡电路形式，以产生交流信号。发光二极管与一电阻串联后再与喇叭并联，组成整个声光报警电路[6]。

3 数据调试

根据电路原理图连线，在没有检测到酒精之前MQ-3气敏元件A-B脚间的电阻值为9.95 kΩ，当空气中酒精浓度增大时，电阻值迅速降低，这时输入比较器3脚的电压值升高。另外，比较器LM393的2脚接可变电阻的2脚，其电压大小为可变电阻1、2脚之间分配到的电压值，称为基准电压。比较器的工作原理就是将输入2脚和3脚的电压值进行比较，当输入3脚的电压值大于2脚的基准电压值时，比较器输出端1脚为高电平输出。调节可变电阻阻值，可改变基准电压大小，控制报警电路的灵敏度。

当空气中酒精浓度增高，高于规定的酒精浓度，MQ-3气敏元件电阻减小，比较器1脚输出高电平，但值较小，如果直接接入NE555器件的4脚，发现NE555可能仍然不能工作，原因是比较器输出的电压值太小，不能达到NE555所需的工作电压。因此在比较器输出1脚后加上一个2 kΩ的上拉电阻，其作用是抬高比较器输出1脚的电位，使输出高电平时达到NE555的复位电压，这时NE555多谐振荡器就能正常工作，发出频率为6.064 kHz的振荡信号，实现声光报警。

4 结束语

本设计以MQ-3型还原性气体元件作为酒精传感器，结合电压比较电路，振荡及报警电路以及功率开关电路实现了酒精浓度超标报警。将该酒精传感器安装在汽车内部，还实现当驾驶人员饮酒后使汽车无法启动的功能。并作了可行性实验，是一款电路设计简单、功能完善、工作性能好的低成本传感器。基于气敏元件的通用性，电路1还可以由实际需要进行改进。例如可以改用检测其它泄漏气体浓度，只要选择合适的气敏元件进行替代就可，电路其他部分均无需改动，十分方便实用。该报警电路在不同需要使用中，可以选择适当的灵敏度进行报警。例如在对酒精浓度要求较高的场所，可以降低比较器LM393的基准电压，当有轻微酒精浓度升高就能进行报警。另外在其它浓度要求不高的场所，可适当提高基准电压，使灵敏度略为降低。

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