Тестер концентрации алкогольных паров на avr

Алкотестер Ардуино (датчик паров спирта MQ-3)

Датчик MQ-3 Arduino сможет определить концентрацию паров спирта (алкоголя) в воздухе. Поэтому на основе MQ-3 и LCD дисплея можно создать алкотестер (breathalyzer — название устройств для определения концентрации алкоголя в крови по выдыхаемому воздуху). Датчик паров спирта MQ-3 довольно просто подключить к микроконтроллеру и также легко написать прошивку для устройства на Ардуино.

Датчик паров спирта MQ-3 Ардуино

Сенсор MQ-3 — недорогой полупроводниковый прибор для измерения наличия паров спирта в воздухе при концентрации от 0,05 мг/л до 10 мг/л. Алкотестер на основе чувствительного элемента SnO2 использует химическую реакцию для определения уровня алкоголя. У этого сенсора в чистом низкая воздухе электропроводность, которая повышается линейно при росте концентрации паров алкоголя.

MQ-3 обладает высокой чувствительностью и защищен от помех, например, дыма и паров углеводородных газов. Аналоговый датчик имеет 4 вывода: питание VCC и земля Gnd, а также цифровой и аналоговый вывод. Для точных измерений необходимо достичь рабочей температуры при помощи встроенного нагревателя (около 40 градусов), подержав MQ-3 Arduino во включенном состоянии в течение 10 минут.

Схема алкотестера на Ардуино Уно своими руками

Для этого проекта нам потребуется:

  • плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
  • макетная плата;
  • датчик паров спирта MQ-3;
  • LCD дисплей 1602;
  • провода «папа-мама», «папа-папа».

Соберите схему, как на картинке выше. Порты SDA и SCL у дисплея Ардуино подключаются к пинам A4 и A5 на Arduino Uno. Датчик необходимо подключить к 5V и GND, а аналоговый выход к пину A1. При первом включении датчика возможны посторонние запахи от MQ3 при его нагреве — это нормально. После сборки алкотестера на Ардуино, загрузите следующую простую программу для устройства.

Скетч алкотестера на Ардуино Уно с дисплеем

Пояснения к коду:

  1. схема подключения дисплея к Arduino Mega будет отличаться, так как на этом микроконтроллере есть отдельные пины SDA, SCL;
  2. на дисплее будут отображаться значения с MQ3, обработанные АЦП (Аналогово Цифровым Преобразователем) микроконтроллера.

Датчик паров спирта MQ-3 «Troyka-модуль»

Используя аналоговый датчик MQ3 (пусть и с цифровым выходом) невозможно получить точные значения концентрации паров спирта в воздухе. Получится лишь грубое приближение к настоящим значениям, после длительной калибровки сенсора. Но используя цифровой датчик, например, от компании Амперка (Troyka-модуль) и библиотеку TroykaMQ.h можно узнать точную концентрацию газов в воздухе.

Схема алкотестера на Ардуино Нано с дисплеем

На данном датчике имеется две группы контактов. Первая группа — это питание и выходной сигнал, вторая группа служит для включения/выключения нагревателя. При замкнутой перемычке на плате MQ3, нагреватель находится всегда во включенном состоянии, поэтому вторая группа контактов не используется. После сборки схемы, согласно приведенной картинке, загрузите следующий код в Arduino Nano.

Скетч алкотестера на Ардуино Нано с дисплеем

Пояснения к коду:

  1. как и сенсор MQ-2 Arduino, датчик выводит информацию о концентрации паров спирта в долях на миллион (ppm), а также в миллиграммах на литр (mG/L);
  2. оба скетча будут работать на разных платах — Uno и Nano. Главное установить библиотеку TroykaMQ.h, которую можно скачать на нашем сайте здесь.

Заключение. Если дисплея 1602 у вас под рукой нет, то можете просто закомментировать или удалить ненужную часть кода. При этом информация с датчика MQ-3, подключенного к плате Arduino, будет выводиться только на монитор порта Arduino IDE. Если у вас остались вопросы по подключению или программированию MQ-3 сенсора для алкотестера на Arduino, оставляйте их в комментариях к этой записи.

Детектор алкоголя (алкотестер) на Arduino

В этой статье мы рассмотрим подключение датчика алкоголя к плате Arduino и спроектируем на его основе детектор алкоголя (алкотестер), который будет способен определять уровень алкоголя в выдыхаемом воздухе и крови и на основании этого выдавать сигнал тревоги если уровень алкоголя превышает заданный уровень. Для данного проекта спроектирована печатная плата с помощью сервиса EASYEDA, исходники которой вы можете скачать ниже в статье.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
  2. Шилд (плата расширения) детектора алкоголя для Arduino Uno.
  3. Датчик алкоголя (MQ3) (купить на AliExpress).
  4. Резистор 10 кОм (купить на AliExpress).
  5. Резистор 1 кОм (купить на AliExpress).
  6. ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
  7. Источник питания.
  8. Потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).
  9. Светодиод (купить на AliExpress).
  10. Операционный усилитель LM358 (купить на AliExpress).
  11. Соединительные колодки.
  12. Кнопка.

Работа схемы

Схема детектора алкоголя (алкотестера) на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

В схеме мы использовали датчик MQ3 для обнаружения алкоголя в выдыхаемом воздухе. ЖК дисплей 16×2 используется для отображения уровня алкоголя в единицах PPM (parts per million — частей на миллион, долей миллиона). Микросхема LM358 используется для конвертирования выхода датчика алкоголя в цифровой вид (опционально). Зуммер (buzzer) будет индицировать о высоком уровне алкоголя.

Работа схемы заключается в следующем. Мы будем сравнивать в схеме компаратора выходное напряжение с датчика алкоголя с заранее определенным значением (подсоединен к контакту D7). Также выход датчика алкоголя подсоединен к аналоговому контакту A0 платы Arduino. Зуммер подключен к контакту D9 платы Arduino. Соединения с ЖК дисплеем точно такие же, как и в примере работы с ЖК дисплеем в Arduino IDE (12, 11, 5, 4, 3, 2). Кнопка подключена к контакту D6 платы Arduino и используется для запуска процесса анализа уровня алкоголя.

Примечание : в схеме мы должны замкнуть все три контакта J2 для расчета PPM.

Для проектирования шилда детектора алкоголя для Arduino мы использовали сервис EasyEDA, в котором мы сначала нарисовали схему нашего устройства, а потом преобразовали ее в печатную плату, используя функцию автоматической трассировки в редакторе EasyEDA. Более подробно это процесс объяснен далее в статье.

Расчет уровня алкоголя

В соответствии с даташитом на датчик MQ3 уровень алкоголя в чистом воздухе составляет 0.04 mg/L.

Запустив в работу этот датчик в нашей комнате (в предположении что у нас чистый воздух в комнате) мы измерили напряжение на выходе этого датчика и оно составило 0.6 В. То есть если на выходе датчика будет напряжение 0.6 В при его работе в чистом воздухе, то уровень алкоголя будет составлять величину 0.04 mg/L.

То есть необходимый множитель (коэффициент) для расчета уровня алкоголя можно определить по формуле:

На основании этого коэффициента мы получим следующую формулу для расчета уровня алкоголя. Сразу отметим что она приближенная – мы используем не совсем стандартный подход в этом вопросе как вы уже, наверное, поняли.

Здесь v – это напряжение на выходе датчика алкоголя.

Поскольку с нашим датчиком мы имеем концентрацию алкоголя 0.40 mg/L в чистом воздухе, то за допустимую границу уровня алкоголя, выше которой нельзя управлять транспортным средством, мы примем 0.80 mg/L – это граница выбрана чисто в демонстрационных целях, вы самостоятельно сможете изменить ее потом в программе на ту, которая вам будет необходима.

Датчик MQ3

Датчик газов и алкоголя MQ3 сделан из материала SnO2, который имеет низкую проводимость в чистом воздухе. Когда в воздухе рядом с данным датчиком начинают появляться пары алкоголя его проводимость начинает увеличиваться в зависимости от концентрации алкоголя. Таким образом, измеряя разность напряжений на выходе датчика при его работе в чистом воздухе и при его работе в условиях наличия паров алкоголя, можно определить наличие алкоголя в воздухе.

Датчик MQ3 отличается малой стоимостью и хорошо подходит для применения в различных устройствах, определяющих концентрацию алкоголя. Датчик отличается хорошей чувствительностью и долгим сроком службы.

Создание макета печатной платы для нашего проекта

В этом разделе статьи мы рассмотрим проектирование печатной платы для нашего проекта детектора алкоголя. Если вам это не интересно, то вы можете просто пропустить этот раздел.

Для проектирования печатной платы для нашего проекта мы выбрали онлайн-сервис EasyEDA, который, по нашему мнению, является очень удобным в подобных вопросах. Он является проектом с открытым исходным кодом и содержит много подложек (footprints). После создания печатной платы в сервисе EasyEDA можно достаточно дешево заказать ее изготовление. На этом же сервисе по изготовлению печатных плат продается достаточно много различных электронных компонентов, которые можно заказать вместе с изготовлением своей печатной платы. Конечно, для жителей стран СНГ этот сервис может быть не очень интересен, но все же решил не удалять ссылку на него при переводе статьи с сайта-источника.

При проектировании печатной платы в EasyEDA вы можете сделать проект своей печатной платы общедоступным чтобы другие пользователи могли скачивать и редактировать его. К примеру, макет печатной платы для рассматриваемого в этой статье проекта детектора алкоголя доступен по адресу:

Вы можете посмотреть печатную плату в этом сервисе со всех сторон, используя опцию ‘Layers’.

Вы также можете посмотреть как будет выглядеть плата после изготовления, используя кнопку Photo View в EasyEDA.

Заказ изготовления печатной платы

После окончания работы по проектированию печатной платы вы можете заказать ее изготовление на сайте JLCPCB.com. Для осуществления этого вам будет необходим Gerber файл печатной платы, для этого можно в редакторе EasyEDA нажать кнопку Fabrication Output (заказа изготовления) и затем подгрузить этот файл на странице заказа печатной платы.

При заказе печатной платы на сайте JLCPCB.com необходимо нажать на кнопку Quote Now или Buy Now, выбрать количество экземпляров печатной платы, число слоев меди, толщину печатной платы, вес меди и даже цвет печатной платы как показано на рисунке.

Читайте также  Жки на базе контроллера ht1611

После выбора всех необходимых опций печатной платы необходимо нажать кнопку “Save to Cart” и тогда вас перебросит на страницу, где вы можете загрузить Gerber файл, который мы скачали с EasyEDA. Загрузите ваш Gerber файл и нажмите на “Save to Cart”. В завершение нажмите Checkout Securely чтобы завершить оформление заказа. В нашем случае стоимость изготовления печатной платы составила $2, сделали ее за 48 часов и доставили службой доставки DHL за 5 дней.

В результате печатная плата к нам пришла вот в такой вот коробке:

Внутри нее была наша печатная плата, к которой мы припаяли необходимые компоненты.

После этого все, что осталось сделать – это смонтировать шилд поверх платы Arduino и подсоединить ЖК дисплей. После этого можно загружать программу в плату Arduino и начинать тестировать работу схемы.

Датчик паров алкоголя своими руками, схема

Меняется мир — меняются и люди, населяющие его, хотя одной из неуменыпающихся величин на протяжении многих десятилетий (пока есть свидетельства статистиков — и веков, пока статистика дремала) остается количество употребления алкогольных напитков на душу населения.

В любой стране мира этот показатель растет, но разными темпами. Россия, как это нередко бывает, «впереди планеты всей» (после разве что Ирландии). Употребление алкогольных напитков не всегда можно оправдать, особенно когда последствия касаются не только себя самого.

Однако зная, насколько злободневна эта тема в России и соседних с ней странах, считаю важным осветить некоторые технические моменты контроля (и самоконтроля) лиц, в отношении которых допускается, что они употребляли или могли употребить алкогольные напитки. Разумеется, цель данного исследования не в споре о правовых нормах или причинах проблемы.

Ниже рассмотрим технические вопросы контроля алкогольных паров (от рта человека при выдохе), какими бы ни были причины и следствия алкоголизации некоторых слоев населения. Практически важно то, что радиолюбитель сегодня может самостоятельно изготовить устройство для контроля паров алкоголя (а при установке других датчиков с аналогичными параметрами контролировать и другие газы, например углекислый газ или выхлопы бензина). Для этого немного обратимся к истории и технологии производства промышленных датчиков различных паров и примесей в воздухе.

В многих странах Европы (Германия, Финляндия, Польша) несколько лет назад появились в свободной продаже алкотестеры или так называемые «детекторы алкогольных паров» (Roadtest).

Рис. 2.57. Внешний вид алкотестера

Конечно, это не профессиональные приборы (профессиональными, в частности, укомплектованы специальные службы, например ГИБДД), но и эти скромные устройства позволяют выявить «запах» и предотвратить нежелательные последствия водительской ошибки на дороге, аварии, или даже просто сохранить ваш кошелек, если в такой ситуации неминуема встреча с инспектором ГИБДД.

Вариантов алкотестеров, выпускаемых разными фирмами в Европе, много (аналогичных приборов отечественного производства в свободной продаже пока нет). Один из них показан на рис. 2.57, он приобретен в Финляндии в 2005 году.

Принцип работы алкотестера

Устройство представляет собой анализатор паров спирта, толуола, ксилена и других летучих органических паров. В верхней части корпуса прибора расположена сменная стеклянная трубка, которая предназначена для вдувания воздуха ртом человека.

При включении питания кнопкой «Power» загорается жидкокристаллический индикатор на передней панели прибора с мигающими цифрами (показаниями) 0000 % ВАС. Одновременно раздается кратковременный звуковой сигнал (пик-пик).

Через 1—2 с раздается второй (аналогичный первому звуковой сигнал), и на индикаторе (внизу под цифрами) начинает мигать слово «wait» (подождите). В этот период продолжительностью 10—12 с происходит нагрев датчика и его вхождение в режим анализа воздуха измерения. После этого третий звуковой сигнал (аналогичный первому) свидетельствует о том, что прибор готов к работе (к струе принимаемого воздуха). При этом на индикаторе (внизу под цифрами) слово «wait» сменяется на «ready».

Если после третьего сигнала «не дуть в трубочку» прибор воспримет тот же воздух, который он уже проанализировал и не найдя различий по составу воздуха, в течение 10—12 с выдаст отрицательный вердикт (в медицине отрицательный результат считается хорошим, не подтверждающим диагноз). Это состояние будет показано на индикаторе надписью «OFF» (без всяких звуковых сигналов). Система автовыключения отключит питание прибора самостоятельно спустя еще 1,5 мин. Это необходимо для экономии батарей.

Прибор имеет разъем для подключения внешнего постоянного напряжения 12 В, копку сброса (для перепроверки теста) и подсветку индикатора.

Если в вашем дыхании обнаружены примеси алкоголя, прибор выдаст на индикаторе цифровые показания (максимум >4000 — уже криминальные случай, когда надо забыть о машине) и подтвердит свое исследование бесконечной серией звуковых сигналов (пик-пик), отключить которые можно будет либо кнопкой «reset» (исследование сначала), либо кнопкой «power».

В устройстве установлен специальный датчик примесей в воздухе типа TGS-2620, для эффективной работы которого требуется постоянное стабилизированное напряжение всего 5 В.

Поэтому такой прибор может с успехом применяться автономно, например с элементами питания типа 4 батарей ААА, включенных последовательно, что снискало ему поистине огромную славу. Огорчает лишь стоимость — почти 50 USD.

По аналогичному принципу действует устройство, представленное ниже для самостоятельного повторения, с той лишь разницей, что промежуточных звуковых сигналов и цифровой индикации оно не имеет. А имеет только два сигнализационных состояния: «пьян» (звук длится до выключения питания) — «непьян» (нет звука). В более простом и менее функциональном варианте алкогольного тестера, рассматриваемого ниже, есть один большой плюс: цена деталей на его повторение не превысит 400 руб.

Датчики TGS называются так потому, что это аббревиатура расшифровывается как: «Taguchi Gas Sensor». Первооткрывателем этих датчиков и их модификаций в 1962 году стал японский изобретатель Наойоши Тагучи.

Большинство датчиков TGS сделаны на основе оксида олова. Сопротивление этих датчиков постоянному току в обычном воздухе высоко, а при наличии в воздухе примесей (паров органического происхождения) у соответствующего датчика (они не универсальны, датчик паров алкоголя не реагирует на утечку фреона) сопротивление резко снижается. Логично, что если подключить такой датчик к компаратору (устройству сравнения напряжения), то последний среагирует по аналогии с параметрическим сигнализатором на изменение сопротивление датчика.

Алкотестер своими руками

Датчик паров алкоголя можно собрать самостоятельно. На основе этих расчетов разработано и испытано простое в повторении устройство, заменяющее промышленный прибор контроля алкоголя.

Электрическая схема устройства контроля и звуковой сигнализации примесей паров алкоголя в воздухе (с применением датчика алкогольных паров) TGS-2620 представлена на рис. 2.58.

Рис. 2.58. Электрическая схема устройства контроля и сигнализации паров алкоголя в воздухе

При обработке выходного сигнала датчика используется микросхема-компаратор, которая сравнивает напряжения на двух своих входах. Напряжение питания для датчика подается на вывод 1. Общий провод подключают к выводу 2. Компаратор DA2 подсоединяют к выводу 3.

Операционный усилитель DA1 с элементами VD1, R6, С2, R7, R9 обеспечивает задержку 1—1,5 мин, необходимую для устранения ложных срабатываний устройства при подаче питания.

Диод VD1 препятствует току утечки оксидного конденсатора С2.

Без этой задержки в течение 1—1,5 мин после подачи питания устройство может включить звуковой сигнал независимо от наличия паров алкоголя.

Принцип работы устройства

Выходной сигнал датчика GS1 снимается с контрольной точки А в дежурном режиме (когда «воздух чист»). В тот момент,

когда напряжение (под воздействием паров алкоголя с концентрацией, равной или превышающей установленный предел) в точке А превысит заданную элементами внешней RC-обвески величину напряжения на входе U0 выходной сигнал с компаратора DA1 (его высокий уровень) обеспечит включение звукового капсюля со встроенным генератором НА1 (или иное устройство звуковой/световой сигнализации, подключенное с соблюдением полярности вместо капсюля НА1).

Напряжение U0 может меняться в диапазоне 2,5—3,2 В при температуре окружающего воздуха +40 °С и относительной влажности 65 % и, соответственно, в диапазоне 1,9—3,1 В при температуре -10 °С.

Без термокомпенсирующей схемы график отклика мог бы изменяться в диапазоне 600—3400 ppm при заданном значении концентрации газа 1500 ppm (при окружающей температуре 20 °С и влажности 65 %).

Для термокомпенсации служит термистор R1.

Наиболее значимыми моментами являются концентрация газа, выражающаяся в миллионной доле (ppm). То есть, например, значения концентрации газа 20 ppm означает концентрацию паров алкоголя 20×10Л

Таблица 2.1 Влияние компенсирующего терморезистора R1 на замер концентрации газа

Тестер концентрации алкогольных паров на AVR

Многие знают, что сотрудники автоинспекции в случаях подозрения алкогольного применения используют некий агрегат, про который говорят «дунуть в трубочку». Сегодня попробуем сделать аналог такого устройства на основе датчика MQ-3, только вот не стоит именно в такой ситуации использовать его как эталонный, так как в область его чувствительности находятся не только пары алкоголя, но и пары бензина, метана и гексана, но к этим газам у него чувствительность меньше, максимальный отклик только к алкоголю. Помимо этого есть еще одни грабли — показания датчика также зависимы от внешних факторов, таких как температура, влажность. В случае серьезного подхода в применении алкогольного тестера стоит осуществить компенсацию этих факторов. Вообще же область применения контролем степени алкогольного опьянения не ограничивается, не знаю для чего вообще был разработан этот датчик MQ-3, но их можно применять в местах, где необходим контроль концентрации подобного газа в воздухе, например при перевозке алкогольной продукции такой датчик даст сигнал и повреждении партии продукции (если бутылка разобьется, то алкоголь начнет испаряться и заполнять парами пространство, как только предел будет достигнут — датчик сработает и даст сигнал тревоги водителю или еще кому-то), либо при производстве, требующем расхода спирта, при превышении расхода концентрация в воздухе возрастет и датчик сработает, дав сигнал и снижении расхода и так далее, так алкоголь необходим при производстве парфюмерии. Как обычно применение ограничивается лишь фантазией инженера.

Читайте также  Защита аппаратуры от бросков напряжения питающей сети

Так вот сам датчик выглядит следующим образом:

Датчик имеет 6 выводов: выводы H — это нить накала (изготовленная из Ni-Cr), пары A и B — это выход сигнала датчика.

Чувствительным слоем для для паров алкоголя в этом датчике является оксид олова, а электроды изготовлены из золота и платины. К слову о цене датчика, этот параметр заметно зависит от материалов, необходимых для изготовления датчика.

Параметры датчика MQ-3:

  • напряжение питания нагревающей катушки — 5 вольт
  • напряжение питания датчика — 5 вольт
  • мощность нагревающей катушки — до 750 мВт
  • сопротивление нагревающей катушки 33 Ом +-5%
  • область обнаружения паров датчиком — 0,05 мг/л — 10 мг/л
  • потребление тока — примерно 150 мА

Перед полноценным применением датчика в схеме его необходимо прогреть в течении 24 часов, подключив 5 вольт к нагревающей катушке. Это необходимо для стабилизации показаний датчика (видимо стабилизируются химические процессы после процесса изготовления). И таким образом, перед применением датчика, его необходимо немного прогреть. Последующий цикл прогрева после 24 часового периода можно сократить до одной минуты. В процессе работы как раз по причине нагревательного элемента датчик может быть или теплый, или слегка горячий — это нормально.

Конструкция датчика представляет собой некий корпус с выводами снизу и сеточкой сверху. Через сеточку пары алкоголя попадают на чувствительный элемент, где протекает химическая реакция, преобразующая физическую величину в электрическую. По сути чувствительный элемент огражден только сеточкой от внешнего мира, поэтому датчик в целом также чувствителен к физическому загрязнению грязью, пылью и так далее (видимо поэтому приборы а ля «дунуть в трубочку» оснащены как раз трубочкой, чтобы взаимодействовать только с дыханием подопытного, исключая внешние загрязнения, в том числе и газовые).

Датчик MQ-3 можно купить как отдельно только один датчик, так и в виде модуля оснащенного компаратором. Стоимость подобной вещи может варьироваться от 3 долларов и выше в зависимости от настроения продавца. Датчики можно найти на торговых интернет площадках aliexpress и ebay.

Помимо датчика MQ-3 модуль оснащен компаратором, подстроечным резистором для регулирования порога срабатывания компаратора и светодиодом на выходе микросхемы компаратора для индикации достижения порога. Модуль имеет выводы для питания, вывод выхода компаратора и вывод, напрямую подсоединенный к выходу датчика.

Перед началом рассмотрения схемы определителя концентрации необходимо отметить тот факт, что перед использованием показания датчика необходимо обязательно калибровать. Почему? При подключении к питанию датчик в зависимости от содержания алкоголя в воздухе будет давать на выходе пропорциональный уровень сигнала. Так вот чтобы определить как сбалансирована эта пропорция (сколько вольт приходится на концентрацию, скажем в 1 мг/л) необходимо дать датчику именно такую концентрацию (или другую) и определить соотношение. Далее использовать этот коэффициент для преобразования показаний датчика в цифры. Без калибровки точные данные получить можно только наугад или снимать показания характера есть пары алкоголя, их нет, их много, их мало, то есть «на глазок» определить.

Итак, приступим к схеме тестера паров алкоголя:

Схема построена на микроконтроллере Atmega8. Данный микроконтроллер можно использовать как в корпусе DIP-28, так и в SMD исполнении в корпусе TQFP-32. Резистор R4 необходим для предотвращения самопроизвольного перезапускания микроконтроллера в случае появления случайных помех на выводе PC6. Резистор R4 подтягивает плюс питания к этому выводу, надежно создавая потенциал на нем. Для индикации используется жидко кристаллический (ЖК или LCD) дисплей. Мною применен большой дисплей 2004 (4 строки по 20 символов), однако вся информация поместится на дисплее 1602 (2 строки по 16 символов), с этим расчетом была написана прошивка. Переменный резистор R2 необходим для регулировки контраста символов на дисплее. Вращением движка этого резистора добиваемся наиболее четких для нас показаний на экране. Подсветка ЖК дисплея организована через вывод «А» и «К» на плате дисплея. Подсветка включается через резистор, ограничивающий ток — R1. Чем больше номинал, тем более тускло будет подсвечиваться дисплей. Однако пренебрегать этим резистором не стоит во избежание порчи подсветки. Работа схемы предусматривает работу модуля АЦП микроконтроллера, поэтому для его питания необходим дроссель L1 и конденсатор C4 для обеспечения стабильной работы модуля — фильтрации помех по питанию. Резистор R6 необходим для ограничения тока, проходящего через светодиод. К слову, светодиод можно заменить на другой прибор или электрическую цепь срабатывающий при превышении предела концентрации паров алкоголя, установленного посредством кнопок S3 и S5. Интервал регулировки этого параметра составляет плюс или минус 0,05 мг/л за одно нажатие кнопки. Резистор R8 также ограничивает ток, проходящий через нагревательную катушку датчика MQ-3. Это немного снижает максимальный ток через эту катушку и повышает надежность схемы. Сигнал от датчика алкоголя поступает на вход АЦП микроконтроллера, который непрерывно отслеживает потенциал на этом выводе. Далее в микроконтроллере значение АЦП переводится в напряжение и в концентрацию алкоголя с учетом калибровочных коэффициентов (их можно задать кнопками S2 и S4).

Производитель обещает более менее линейную характеристику показаний датчика MQ-3. Это упрощает калибровку, необходимо ввести всего два коэффициента, корректирующих показания. Для этого мы будем использовать простую школьную формулу y=k*x+b, где y — концентрация алкоголя, x — напряжение от датчика, b — смещение рабочего диапазона (при нулевой концентрации напряжение всегда будет больше 0), k — коэффициент перевода напряжения в концентрацию. С коэффициентом k самая большая проблема, потому что его можно задать или придумав из головы, или по сигналу датчика от эталонного источника концентрации. Оба коэффициента можно задать кнопками устройства. Калибровка по b должна происходить при концентрации полностью ноль в состоянии покоя, при нажатии коэффициент b будет сохранен и отниматься от текущего значения, таким образом при нулевой концентрации на экране получится значение ноль, а не какое-либо малое значение (или не очень малое). Коэффициент k задает отношение напряжения к концентрации алкоголя, то есть на сколько вольт придется концентрация в 1 мг/л. Именно при этом значении стоит калибровать устройство (естественно можно и при другой концентрации калибровать, но тогда это нужно предусмотреть в прошивке микроконтроллера).

  1. текущее значение АЦП микроконтроллера
  2. напряжение посчитанное с учетом коэффициента b (изначально при включении b=0, необходимо калибровать перед каждым использованием)
  3. значение предела концентрации, устанавливаемой кнопками устройства
  4. значение концентрации алкоголя в мг/л пересчитанной через напряжение с учетом коэффициента k

Вся схема будет потреблять около 200 мА или более, поэтому, чтобы не греть воздух предложено использовать импульсный стабилизатор напряжения на микросхеме MC34063. Однако можно применить любой другой стабилизатор или микросхему стабилизатора в соответствии с ее подключением в схему.

Все резисторы в схеме можно применять мощность 0,25 Вт или типоразмера 1206 в СМД исполнении.

Схема была собрана на макетной плате для микроконтроллера Atmega8:

На макете датчик MQ-3 подключен к отдельному источнику питания 5 вольт от другого порта USB компьютера.

Хотя модуль датчика паров алкоголя используется в виде модуля, но используется только вывод, соединенный напрямую с самим датчиком MQ-3. Ничего, кроме него, в модуля больше не используется.

Для программирования микроконтроллера необходимо знать конфигурацию фьюз битов:

К статье прилагается прошивка для микроконтроллера, документация на датчик MQ-3, проект протеус (версия 8) (датчик заменен потенциометром для изменения показаний и их отслеживания), а также небольшое видео, демонстрирующее работу устройства (при поднесении бутылки со спиртом к датчику показания начинают изменяться и при достижении предела загорается светодиод, далее бутылка убирается и показания начинают уменьшаться, однако из-за инерционности датчика показания уменьшаются достаточно медленно, особенно приближаясь к нулю).

Алкотестер своими руками

На сегодняшний день существует много различных разновидностей алкотестеров, для оценки количества спирта в крови человека по выдыхаемому человеком воздуху. Такие устройства используются в основном для контроля состояния водителя, так как нельзя садиться за руль автомобиля, другого автотранспортного средства или выполнять действия, сопряженные с опасностью для себя и других людей.
Есть фабричные устройства, а также самодельные. Они относительно сложны или дороги и не всеми могут быть реализованы. Данный проект нацелен на создание простого в изготовлении алкодетектора, который может определить присутствие недопустимого содержания паров спирта в выдыхаемом воздухе.

Экспериментальный стенд

Используемые компоненты

  • Датчик паров спирта MQ-3 в форме готового модуля
  • Батарея питания 9 В
  • Интегральный стабилизатор напряжения, выдающий не ниже 180 мА при напряжении 5 В Например, КР142ЕН5А (2А)
  • Конденсаторы по 22 мкФ
  • резистор 300 Ом
  • Светодиод
  • Выключатель

Схема соединений

Для тестирования датчика была собрана следующая схема:

Так как модулю MQ-3 требуется стабильное питание 5 В, то был реализован понижающий стабилизатор напряжения.

Подключение на макетной плате. Без выключателя. С другой стороны есть потенциометр для регулировки порога срабатывания. Вид сверху на соединения

Эксперименты

1. Время нагрева датчика

Первый эксперимент заключался в измерении параметров датчика MQ-3 в период нагрева. Контролироваловь выходное напряжение и температура датчика в зависимости от времени прошедшего с включения питания.

С результатами данного исследования можно ознакомиться в данной статье.

Результат исследования характеристик датчика MQ-3 при прогреве

Здесь хорошо виден начальный этап нагрева, при котором напряжение вначале резко возрастает до 1 В, а затем начинает падать до уровня 0.7 В, а в последствии медленно расти до 0.8 В. Т.е. рабочий диапазон выходного напряжения здесь 0.7 … 0.8 В.

Вывод

Данный датчик не может быть использован сразу после включения, т.к. показания будут непредсказуемо изменяться в период нагрева, в тоже время держать его постоянно включенным не желательно при питании от батареи, т.к. он потребляет относительно большой ток на нагрев.
Если применять его для портативных устройств, то нужно выжидать время нагрева (не менее 400 с) и затем производить измерение. Альтернативным вариантом является мониторинг скорости изменения напряжения – если напряжение находится на уровне ниже 0.9 В и скорость его изменения меньше пороговой, то произвести измерение.
В любом случае стоит предусмотреть сохранение значения напряжения при отсутствии алкоголя и затем сравнить его с измеренным значением при неизвестным значением алкоголя. Так будет нивелироваться плавающее базовое значение напряжения.

Читайте также  Как рассчитать вертикальный ветрогенератор для дома?

2. Исследование линейности датчика MQ-3

Во втором эксперименте было произведено исследование датчика MQ-3 на линейность зависимости концентрации алкоголя и выходного напряжения. Это позволит определиться с процедурой калибровки.

С результатами данного исследования можно ознакомиться в данной статье.

Результаты измерений разных концентраций алкогольных паров

Здесь видна линейность зависимости среднего значения напряжения в серии для каждой концентрации.

Регрессионная линейная модель среднего значения напряжения датчика

Здесь показан результат построения линейной модели по полученным данным. Полученный коэффициент детерминации 0.97 позволяет подтвердить утверждение о линейности показаний.

Вывод

Результаты эксперимента дали подтверждение линейности показаний датчика MQ-3, что упрощает модель преобразования и процесс калибровки.
Также для повышения точности следует использовать базовое напряжение в отсутствии алкоголя в качестве нулевой точки и рассчитывать концентрацию уже по отношению к ней.

3. Калибровка

Изучая методы калибровки наткнулся на такой любопытный подход, описанный в книге Г.Виглеб Датчики. Устройство и применение. // пер. с нем. М.А. Хацернова, Москва, изд. “Мир”, 1989 г. :

Лучше всего проводить калибровку с использованием водки крепостью 40%. Для этого в восемь рюмок наливают точно по 20 мл. Затем одну из этих рюмок выпивают и выжидают примерно 1/4 ч, чтобы алкоголь мог перейти в кровь и в полости рта не оставалось бы следов алкоголя. После этого нужно подуть на датчик и убедиться, что показания все еще составляют 0 промилле, как и должно быть.

После второй рюмки также следует сделать паузу 1/4 ч. Показания должны составлять 0.2 промилле. Эта процедура продолжается далее, пока после восьмой дозы показания не достигнут 1 промилле.

Калибровка рассчитана на вес тела 75 кг и на проведение процедуры натощак. Жирная пища и большой вес снижают показания.

Учитывая, что функция преобразования датчика линейна, можно преобразовать данную методику. Для этого воспользуемся профессиональным калькулятором алкоголя в крови, применяемым судмедэкспертами. Вводя туда параметры испытуемого (пол, массу рост), процент содержания спирта в действующем веществе и его количество можно рассчитать максимальное количество промилле алкоголя в крови и динамику его повышения. По графику определить минимальное и максимальное время достижения максимума алкоголя в крови (синий и красный график). Это тот период, где следует ожидать максимум. Именно через такое время после приема действующего вещества нужно измерять показания прибора и использовать для калибровки максимальные показания.

Разработка Алкотестера RGB

Так как мы не претендуем на прецизионность показаний, то вполне уместно для сокращения расходов и упрощения конструкции использовать цветовое картирование результатов измерений. Грубо говоря, применить метод светофора. Малые значения концентрации алкоголя будут показываться зеленым цветом, значимые концентрации – красным, а высокие будут обладать синим оттенком. Причем будет реализована плавная смена цветов! Для этого можно использовать один RGB светодиод.

Электрическая схема алкотестера

Здесь показано соединение компонентов семы.

Как видно, всего три ключевых компонента, схему может собрать даже школьник! За основу предлагается взять DigiSpark из-за его малых размеров. У него есть один важный для измерителей недостаток – нестабилизированный тактовый RC-генератор, но к счастью время измерения тут не так велико, да и постоянство периода дискретизации не требуется.

Для питания датчика можно использовать стабилизатор самого модуля, т.к. он может потянуть ток потребления датчика MQ-3 и RGB диода. Резисторы у диода необходимы, чтобы он не сгорел (ну или порт микроконтроллера). Чтобы изменить общую яркость диода можно ввести в схему еще резистор а разрез синего провода, ведущего от диода в “земле” GND. Но это считаю лишним.

Тестирование макета алкотестера

Программа для Digispark (Arduino IDE)

Разработанная программа (скетч) реализует все умные методы измерения, определенные в результате исследований: умный прогрев, компенсация внешних условий, калибровка, цветовое картирование. И все это полностью автоматически. Ни одной кнопки пользователю нажимать не придется! Вставляете в среду Ардуино, настроенную под DigiSpark. Есть даже готовые сборки. Если будут сложности с этим – выложу инстукцию.

Экспертиза алкометров и алкотестеров: в трубочку дует. робот

Как известно, только врач имеет право устанавливать, пьян водитель или нет. Поэтому показания различных продаваемых приборчиков для измерения степени опьянения носят исключительно совещательный характер. Они подскажут, стоит ли вам садиться за руль после вчерашней вечеринки. Но предъявлять их показания инспектору ДПС бессмысленно. И если при помощи профессионального оборудования врач зафиксирует в литре выдыхаемого вами воздуха более 0,16 мг алкоголя, то покупайте проездной.

И все-таки интересно — сильно ли ошибаются алкометры и алкотестеры? И почему цены на них различаются на порядок?

Игрушки и приборы

Сначала разберемся с терминологией, уяснив разницу между алкометрами и алкотестерами. Алкометр — прибор серьезный. Ведь это «анализатор паров этанола в выдыхаемом воздухе», являющийся средством измерения, внесенным в Государственный реестр. Он должен соответствовать ГОСТ Р 54794–2011, проходить первичную поверку в органах Росстандарта, а потом периодическую проверку раз в год.

Алкотестер — прибор индивидуального пользования, Росстандарт не признает его средством измерения. Иными словами, метрологические характеристики алкотестера не проверены в установленном порядке. Показания таких приборов не имеют доказательной силы. Конечно, параметры алкотестера могут соответствовать ГОСТ Р 54794–2011, но, чтобы хоть как-то доверять его показаниям, нужно периодически проводить калибровку, о чем сказано в паспорте изделия.

Оба термина законодательно не определены, а потому на практике изготовитель и продавец называют свою продукцию как хотят. А многие вообще уходят в сторону от принятых обозначений — так появляются «индикатор алкоголя в выдыхаемом воздухе» и «измеритель алкоголя».

Как это часто бывает, косвенным показателем серьезности изделия является его цена. Поэтому мы сразу отсеяли брелочки стоимостью до 3000 рублей. Для испытаний взяли алкотестеры в ценовом диапазоне от 4600 до 15 700 рублей: трех «россиян» и трех представителей Южной Кореи.

В сравнение намеренно включили два импортных прибора с троекратным разбросом в цене — почувствуем разницу или нет?

В роли свадебных генералов выступили два прибора: стоимостью 18 500 и аж 44 000 рублей! Первый — канадский Drivesafe II, самый дешевый из алкометров; предназначен он явно для индивидуального пользования, поскольку не снабжен принтером, о необходимости которого упоминает ГОСТ. Второй — немецкий Dräger Alcotest 6810; его используют сотрудники ГИБДД, а также другие профессионалы, и он имеет неплохие отзывы пользователей.

Заявленные характеристики приборов приведены в таблице. Пределы допускаемой погрешности для алкометров Dräger Alcotest 6810 и Drivesafe II нормированы производителями по отдельным диапазонам и в зависимости от температуры; для экономии места мы их не приводим. Изделия расположены в алфавитном порядке.

Берем пробы

Замеры при каждой концентрации паров проводили трижды. Вначале проверяли изделия при температуре 23 ºС, а затем при 5 ºС. Последнее носило факультативный характер: освидетельствование должно проводиться в теплом помещении. Но ведь в машине инспектора не всегда тепло. И мы точно знали, что на холоде многие приборчики начинают сильно врать.

Погрешности считали так. Из показаний прибора вычитали величину, заданную на генераторе, а разность делили на эту же величину. Умножив результат на 100%, получали относительную погрешность.

Пускай к теме материала это прямого отношения не имеет, всё же напоминаем, что в мг/л и в промилле измеряют не одно и то же. В миллиграммах на литр определяется содержание паров алкоголя в выдыхаемом воздухе, а в промилле — содержание алкоголя в крови.

Информация о поведении каждого из приборов приведена ниже.

Как обычно, результаты наших испытаний относятся только к конкретной выборке приборов и не являются основанием для оценки всей продукции того или иного производителя.

Ориентировочная цена 8000 руб.

Питание от батареек ААА

Калибровка через каждую 1000 измерений

Размышляет довольно долго: подготовка к тесту длится несколько минут. При 23 ºС изделие занижает истинную концентрацию на величину от 41 до 100%. При 5 ºС занижение составило от 53 до 100%. Было бы лучше, если бы показания завышались…

Ориентировочная цена 4600 руб.

Питание от батареек АА

Калибровка через 200 тестов или каждые 6 месяцев

При 23 ºС данные искажает сильно: ошибка составляет от 78 до 239%! Впрочем, все показания завышены, а потому за руль приборчик вас «не пустит»: это хорошо. При 5 ºС отклонения от истины лежали в пределах ­ от —100 до +50%.

Ориентировочная цена 44 000 руб.

Питание от батареек АА

Калибровка раз в год

Профессиональный прибор на общем фоне вел себя достойно. Максимальная ошибка, на рубеже 0,059 мг/л, составила при комнатной температуре 19%, минимальная, на рубеже 0,426 мг/л, — всего 2%. При 5 ºС ошибка — от 3% вверху шкалы до 15% внизу. Достойный прибор, но на ценник лучше не смотреть.

Ориентировочная цена 18 500 руб.

Питание от батареек АА

Калибровка через 5000 измерений либо раз в год

Диапазон ошибок: при комнатной температуре от —100 до +25%. При 5 ºС прибор вдруг показал сплошные нули. И это — за 18 500 рублей?