Consente di capire e avvisare acusticamente e visivamente se la concentrazione di alcol etilico nel fiato è oltre la soglia tollerabile, attivando eventualmente un relé.
Quando si dice “etilometro” il pensiero corre subito ai controlli stradali fatti dalle Forze dell’Ordine per identificare e sanzionare chi guida in stato di ebbrezza; in quelle occasioni viene utilizzato uno strumento dotato di un boccaglio intercambiabile (per ovvie ragioni di igiene) dove la persona sotto test soffia e il fiato viene diretto contro la superficie sensibile di un sensore di alcol etilico. Qualcosa del genere vogliamo proporvelo in queste pagine, ma non perché andiate a ingrossare le fila dei controlli stradali né a giocare ai “poliziotti in erba” quanto piuttosto perché può sempre essere utile per verificare, dopo essersi alzati da tavola e prima di prendere l’automobile, di non rischiare di essere in infrazione.
Infatti, al pari degli alcol test disponibili in commercio per tale scopo, consente di misurare il tasso alcolemico (ossia la quantità specifica di alcol nel sangue) del soffio di fiato diretto contro la superficie del sensore utilizzato. Quest’ultimo è un dispositivo siglato MQ-3, capace di rilevare non solo i vapori degli alcoli ma anche vari tipi di gas e idrocarburi, seppure il composto in aerosol cui è più sensibile è certamente l’alcol, cui segue la benzina; lo utilizzeremo nel circuito descritto qui di seguito, analizzandone lo schema elettrico. Prima, però, facciamo il punto sul sensore, spiegando come funziona.
Il sensore MQ-3
Questo dispositivo è prodotto dalla Hanwei Electronics (www.hwsensor.com) e si basa sulla collaudata struttura a film di ossido metallico, da tempo utilizzata con successo per rilevare i gas: l’elemento sensibile è uno strato di ossido che viene riscaldato da un filamento alimentato attraverso due piedini dedicati (siglati H come heater) così da portarsi alla temperatura ottimale per il suo funzionamento; il filamento ha una resistenza a freddo (temperatura ambiente) di circa 33 ohm, è fatto di una lega nichel-cromo e non ha polarità, ma va preferibilmente alimentato in corrente continua, almeno per i nostri scopi.
Il film metallico è applicato a un supporto ceramico di forma tubolare composto da allumina (Al2O3) che è un materiale elettricamente isolante; è fatto di biossido di stagno (SnO2) e la sua caratteristica è che, quando viene riscaldato, diventa permeabile agli atomi dei gas nei confronti dei quali è sensibile. Il contatto con l’alcol etilico e la reazione di ossiriduzione che ne deriva alterano la conducibilità del film di biossido di stagno, che in condizioni normali è bassissima: infatti la resistenza misurabile a vuoto è dell’ordine dei kohm. Per l’esattezza, siamo nell’ordine di qualche centinaio di ohm, fino a 20 kohm per concentrazioni di alcol etilico che variano fra 10 e 0,05 mg/L, corrispondenti al range misurabile dal sensore (più alta è la concentrazione minore è la resistenza e viceversa); la resistenza di riferimento fornita dal costruttore per una concentrazione di alcol etilico di 0,4 mg/L è definita Ro. La reazione di ossiriduzione innescata dall’alcol (tenendo conto del tenore di ossigeno nell’aria circostante) determina la cessione di elettroni che aumentano la conducibilità dell’elemento sensibile e quindi l’abbassamento della resistenza.
Per rilevare la variazione di resistenza del film si inserisce quest’ultimo in un partitore resistivo alimentato a 5V e avente come resistenza di carico (quella terminante alla massa del circuito di misura) tipicamente 20 kohm come mostrato nella Fig. 1,
anche se nel nostro caso stiamo intorno agli 1,2 kohm perché il circuito lo richiede; all’aumentare della concentrazione dell’alcol nell’aria spinta oltre la griglia di protezione dell’MQ-3, la resistenza del filamento diminuisce e di conseguenza cresce la tensione rilevabile ai capi della resistenza di carico. Per avere un’idea del comportamento del sensore, ovvero del suo film sottile di biossido di stagno, nella Fig. 2 proponiamo il grafico su scala logaritmica della risposta a vari tipi di gas e chiaramente all’alcol etilico.
Le curve si riferiscono a 20 °C di temperatura ambiente e 65% di umidità relativa, con una concentrazione di ossigeno dell’ordine del 21%. Nel grafico, Ro è la resistenza del sensore a una concentrazione di alcol etilico pari a 0,4mg/L in aria pulita e secca; invece Rs è la resistenza assunta dall’elemento sensore in corrispondenza di una certa concentrazione di composto nell’aria, che nel caso specifico è l’aria. Vedete che in corrispondenza di 0,4 mg/L di concentrazione Rs vale quanto Ro e quindi il rapporto è pari ad 1; a 10 mg/L Rs diventa praticamente 1/10 della Ro. Il rapporto Rs/Ro determina la sensibilità dell’MQ-3. Dal grafico risulta evidente che l’elemento sensibile del sensore MQ-3 risente anche della presenza di altri aerosol e gas, perché il film di biossido di stagno ha tale comportamento, sebbene nel caso del sensore da noi utilizzato sia rilevante il comportamento nei confronti dell’alcol etilico (il rapporto varia di circa 20 volte nel range di misura).
Schema elettrico
Bene, stabilito che cos’è è come funziona il sensore, possiamo vedere come l’MQ-3 è stato impiegato nel circuito dell’alcol test proposto in queste pagine: guardando lo schema elettrico vedete che adottiamo la configurazione suaccennata dove la resistenza dell’elemento sensibile è posta in serie a una resistenza con la quale fa partitore; per aiutarvi a seguire lo schema proponiamo nella Fig. 3 la piedinatura e le connessioni all’interno dell’MQ-3.
Il partitore del sensore e il timer 555
Siccome il sensore è analogico, tra la serie di resistenze R3 ed R5 otterremo una tensione che varia secondo il grafico di Fig. 2 in funzione della concentrazione di alcol etilico; essendo R5 un trimmer, è possibile variare l’ampiezza della tensione ottenuta, ovvero il rapporto tra la differenza di potenziale presentata al piedino 2 dell’integrato U1 e massa e la tensione di alimentazione del filamento, che è di 5 volt in continua. Conformemente alle prescrizioni del produttore, in serie al filamento riscaldatore abbiamo posto un resistore che ne limiti la corrente e con essa la potenza dissipata, restando in valori di sicurezza e tali da garantire sia la giusta risposta all’alcol, sia la durata nel tempo.
Il segnale fornito dall’elemento sensibile e quindi la tensione ai capi della serie R3-R5 lo utilizziamo in maniera abbastanza inconsueta: niente lettura da parte del DAC di un microcontrollore o roba simile, ma molto più banalmente lo inviamo all’ingresso di trigger di un comune timer 555 del quale sfruttiamo i flip-flop interni. Per capire quale ruolo svolge il 555 dobbiamo vedere cosa c’è al suo interno, aiutandoci con lo schema a blocchi proposto nella Fig. 4:
I comparatori e il flip-flop interni
Nel 555 troviamo due comparatori aventi in comune un partitore di tensione a scala di resistenze che polarizza per l’operazionale superiore l’ingresso invertente e per quello inferiore, il non-invertente; dei comparatori vengono resi accessibili dall’esterno gli ingressi non-invertente di quello superiore (i termini superiore e inferiore si riferiscono al potenziale di riferimento che ricevono dal partitore multiplo, quindi il comparatore superiore riceve la tensione più elevata), corrispondente al piedino 6 (THR, ossia Threshold) e l’invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 2 (TRI, ossia Trigger).
Il nodo tra la prima e la seconda resistenza (a partire dal positivo di alimentazione, ovvero dal piedino 8) del partitore multiplo di riferimento dei due comparatori viene portato all’esterno tramite il piedino 5 (CV, Control Voltage) e ciò permette di alterare le tensioni di riferimento dei comparatori, così da controllare con una tensione esterna la frequenza di lavoro nella configurazione astabile (operando lo shift di frequenza come si fa nei VCO, ossia gli oscillatori controllati in tensione) oppure la durata degli impulsi in quella da timer (monostabile). Ma questa funzionalità a noi non interessa per il circuito che stiamo descrivendo.
Quel che ci interessa è quanto viene dopo: le uscite dei comparatori pilotano una il RESET (quella del comparatore superiore) e l’altra l’ingresso di SET (comparatore inferiore) di un flip-flop di tipo RS, che è un circuito logico la cui uscita diretta (Q) va a livello alto (corrispondente a circa il potenziale del piedino 8) quando il SET è a livello alto, ovvero assume lo zero logico se SET è posto a circa zero volt; l’uscita presenta un comportamento esattamente opposto quando ad essere attivato è l’ingresso RESET, il quale, quando è posto a livello logico alto, resetta il flip-flop, portandone a zero lo stato logico dell’uscita diretta Q.
Il flip-flop ha un’uscita complementata (/Q), la cui condizione logica è sempre l’inverso di quella Q; nel 555 pilota la base di un transistor NPN configurato in modo open collector, il cui emettitore è connesso a massa e il collettore al piedino DIS (Discharge, 7) che in questa applicazione non utilizziamo. L’uscita diretta, Q, è collegata al piedino OUT (3) dell’integrato attraverso un buffer interno push-pull, capace di erogare un massimo di 200 mA. Il negativo di alimentazione, vale a dire la massa di riferimento del 555 corrisponde al piedino 1, mentre al 4 è connesso il reset a logica invertita del flip-flop: questo piedino permette di resettare forzatamente il circuito dall’esterno applicando un livello logico basso, ma lo abbiamo posto fisso a livello alto perché non ci interessa.
Configurazione dell’allarme alcol
Nella nostra applicazione abbiamo connesso al positivo di alimentazione il piedino 6, cosicché il comparatore superiore non potrà commutare e la sua uscita rimarrà costantemente a livello alto; con essa il reset del flip-flop. Quindi utilizzeremo il solo comparatore inferiore, che fa capo al piedino di trigger; ogni volta che il piedino 2 viene portato a livello logico basso, l’uscita (pin 3) del 555 si porta a livello logico alto; quindi fin quando la concentrazione di alcol è bassa e la tensione ai capi della serie di resistenze è al disotto del valore di 1/3 di quella di alimentazione del 555, l’uscita di quest’ultimo rimane a livello alto, mentre se la concentrazione sale abbastanza da portare la tensione tra il pin 2 e massa oltre 1/3 della tensione d’alimentazione, il comparatore inferiore porta la propria uscita a livello basso e il set del flip-flop torna a livello basso. In questa condizione prevale lo stato del reset e l’uscita diretta del flip-flop si porta a livello basso; tale condizione permette l’alimentazione del cicalino piezo e del LED di positività al test siglato LD2, polarizzato attraverso la resistenza di limitazione della corrente R2.
Il relè per l’uso come allarme gas
Ma non solo: il piedino 3 del 555 alimenta anche la bobina del relé RL1, che abbiamo volutamente inserito nel circuito per consentire a chi tra voi lo volesse, di utilizzare il circuito anche in abbinamento ad una centralina di allarme, per rilevare la presenza di gas come GPL e altri GAS rilevabili dal sensore, ma anche aerosol di benzina e alcoli. Per proteggere il transistor d’uscita del 555 dalle extratensioni inverse che si verificano ai capi della bobina del relé quando viene privata dell’alimentazione, abbiamo previsto il diodo D1, collegato in antiparallelo ad essa. Il relè è utilissimo se si intende utilizzare il circuito come rivelatore e allarme gas, tuttavia bisogna considerare che occorre utilizzare un relé a tenuta stagna, giacché la pur piccola scintilla scaturita dalla commutazione sul carico potrebbe innescare un’esplosione. Del RL1 rendiamo disponibile lo scambio limitatamente ai contatti C ed NO, in modo da poterlo utilizzare come interruttore.
Alimentazione del circuito
Concludiamo la descrizione dello schema elettrico con l’alimentazione, che deve essere a tensione continua massima di 5V stabilizzati e va applicata al plug di alimentazione rispettando la polarità indicata; per accendere e spegnere il circuito abbiamo previsto un deviatore utilizzato come interruttore e siglato SW1, sul cui cursore si prende l’alimentazione per il sensore MQ-3, per il 555 e per il resto del circuito, bobina del relé (a 5V) compresa. Tra la linea positiva e massa, all’uscita del deviatore, si trova il LED LD1, alimentato attraverso la resistenza R1, che funziona da spia di funzionamento del circuito.
Realizzazione e utilizzo
Bene, ora che abbiamo descritto il funzionamento del circuito possiamo vedere come realizzarlo, partendo dal circuito stampato da noi previsto per ospitare tutti i componenti occorrenti, sensore compreso; il PCB è a doppia faccia e allo scopo di realizzarlo per fotoincisione pubblichiamo, sul nostro sito www.elettronicain.it, le due tracce lato rame da stampare su carta da lucido o acetato per ottenere le pellicole del caso.
Montaggio del circuito stampato
Inciso e forato il circuito stampato, potete montarvi i componenti a partire da quelli a più basso profilo come resistente e diodo al silicio (da orientare come indicato nel piano di montaggio visibile in queste pagine) per poi proseguire con lo zoccolo per il 555, il trimmer orizzontale e l’interruttore a slitta con piedini ad angolo retto. Si procede con il jack DC di alimentazione, il sensore MQ-3, il relé miniatura a 5V, il cicalino e i due LED. Prestate attenzione alla polarità dei due LED, i cui catodi (corrispondenti allo smusso sul contenitore) devono essere rivolti al cicalino piezo BZ1; quest’ultimo ha una polarità da rispettare, quindi nell’inserirlo nei rispettivi fori dello stampato tenetelo con il + rivolto al lato della basetta lungo cui va posizionato. Le foto del prototipo e il piano di montaggio che trovate in queste pagine sono comunque d’aiuto nelle varie fasi del montaggio.
Alimentazione e taratura
Per quanto riguarda l’utilizzo, serve un alimentatore da rete con uscita stabilizzata a 5Vcc, capace di erogare 250 milliampere di corrente; è anche possibile l’alimentazione a batteria utilizzando un pacco batteria con regolatore a 5V o meglio ancora un power bank in grado di fornire una tensione di 5V e sufficiente corrente per avere una buona autonomia, considerando l’assorbimento del circuito, che anche a riposo si attesta sui 170 mA a causa dell’assorbimento del filamento riscaldatore del sensore MQ-3.
Per utilizzare il prodotto, si deve come prima cosa portare l’interruttore su ON, dopo di che sarà probabile sentire il buzzer suonare perché verosimilmente occorrerà regolare il trimmer così da impostare la soglia di allarme, vale a dire la sensibilità del nostro alcol test. A questo punto, se nell’aria non è presente alcol, ruotate il trimmer in senso antiorario per poi rilasciarlo nel momento in cui non si sentirà più suonare il buzzer. Per una corretta calibrazione sarebbe buona cosa lasciare il dispositivo alimentato per qualche minuto (almeno 5 minuti) con il trimmer al minimo e procedere solo dopo alla calibrazione, perché a quel punto il sensore, ovvero il suo film sensibile, si sarà portato alla temperatura di regime e il suo funzionamento risulterà stabile. Una volta effettuata la calibrazione si potrà usare il dispositivo.
Uso del dispositivo
In caso di presenza di alcol, il LED rosso si accenderà, il buzzer suonerà e il relè si ecciterà comportando la chiusura del contatto sul connettore CN1. È opportuno precisare che non si tratta di un etilometro perché il nostro circuito non compie misure: è un alcol tester, vale a dire un qualcosa che avvisa se la concentrazione di alcol è sopra la soglia impostata; per renderlo allineato ai dispositivi utilizzati prima di mettersi alla guida, sarebbe opportuno compararlo con uno di questi e tarare il trimmer dopo aver alitato in esso, verificando quando segnala l’eccesso di alcol.
In alternativa bisogna riferirsi al grafico della risposta proposto nella Fig. 2 e registrare il trimmer in modo che il LED LD2 si accenda in corrispondenza della concentrazione di alcol etilico desiderata; per esempio, potete tararlo deponendo un po’ d’alcol etilico denaturato sul piano di un tavolo e affacciandogli a qualche centimetro di distanza il sensore con il circuito alimentato: regolate il trimmer affinché il cicalino inizi a suonare e il LED LD2 si accenda, verificando che una volta evaporato l’alcol tutto torni a riposo. Nel deporre l’alcol state attenti a non spruzzarlo su corpi caldi o circuiti ad alta tensione, perché si incendierebbe.
