Progetto di un dispositivo di misura alcolemica con il sensore MQ3 e Arduino

I danni causati da individui sotto l'effetto dell'alcol, possono verificarsi in molti modi e a diversi livelli, coinvolgendo anche altre persone. I danni ad altre persone dovuti al consumo di alcol possono includere lesioni intenzionali o non intenzionali, e possono colpire un intero gruppo o singoli individui, tra cui coniugi, parenti, amici, non parenti che vivono nella stessa casa, colleghi di lavoro o persino estranei. In questo articolo progettuale, descriveremo come realizzare un dispositivo in grado di rilevare il livello di alcol presente in un soggetto che si appresta a condurre un’autovettura. L'idea alla base è molto semplice: respirando vicino al sensore del dispositivo, il conducente sottoposto al test può verificare se il livello dell’alcol misurato garantisce a sè stesso e agli eventuali passeggeri di guidare un veicolo in totale sicurezza.

Introduzione

Gli studi del settore hanno dimostrato che gli incidenti stradali e il consumo di alcol sono direttamente correlati, causando quindi gravi conseguenze per individui, famiglie e comunità. Una recente ricerca ha valutato diversi studi sugli incidenti stradali e il consumo di alcol; in particolare, ha dimostrato che vi è un'elevata prevalenza del consumo di alcol e un'associazione tra questo e la gravità delle lesioni. Studi epidemiologici che valutano l'uso di alcol in relazione al numero di decessi, nel caso più grave hanno rilevato alcol nel sangue mediamente nel 40% dei soggetti. L'alcol colpisce il corpo in molti modi. Non solo ha un impatto negativo sulla salute nel tempo, ma gli effetti immediati rendono anche pericoloso impegnarsi in qualsiasi attività che richieda abilità, attenzione e movimenti coordinati. La percezione sensoriale è ridotta, la trasmissione nervo-muscolo è ostacolata, e il processo decisionale e le funzioni cerebrali superiori ne soffrono, portando ad effetti come quelli descritti di seguito.

L'alcol può rendere difficile pensare lucidamente, prendere buone decisioni e pianificare in anticipo, ma può anche aumentare i comportamenti rischiosi, tutte abilità fondamentali per la guida di un veicolo. Guidare un'auto richiede molta più concentrazione di quanto molte persone credano, e quando la capacità di concentrarsi sui numerosi compiti coinvolti nella guida scompare - come sterzare l'auto, mantenere una velocità di sicurezza, rimanere nella propria corsia ed evitare altre auto - il rischio di un incidente aumenta notevolmente.

L'abuso di alcol provoca anche cambiamenti nelle parti del cervello che controllano le capacità motorie, il che rallenta i riflessi e diminuisce la capacità di sterzare in sicurezza o di usare i pedali dell'acceleratore e del freno in modo appropriato. Un altro effetto deleterio dell'alcol è che rilassa i muscoli che controllano gli occhi, causando visione offuscata e tempi di reazione visiva molto lenti. L'alcol riduce anche la visione periferica, ciò significa che i conducenti ubriachi hanno difficoltà a vedere qualsiasi cosa che non sia direttamente di fronte a loro, comprese altre auto, pedoni e altri ostacoli sulla strada.

Il progetto

Il dispositivo di misura alcolemica è costituito dall’assemblaggio di una scheda Arduino UNO, uno shield denominato “Alcohol detector” e un sensore di gas di alcol MQ3. La Figura 1 mostra lo schema elettrico dello shield “Alcohol detector”.

Figura 1: Schema elettrico dello shield Alcohol detector

Lo shield “Alcohol detector” è costituito essenzialmente da un sensore di alcol MQ3, un display LCD 16x2, un amplificatore operazionale LM358, un transistor BC547, due diodi LED, un pulsante e tre trimmer. Allo shield, nello schema indicato come il connettore ARDUINO R3 SHIELD (J1), viene collegato il sensore MQ3 (U3) mediante il connettore J3, che rileva il livello di alcol presente nel soggetto sotto test.

Funzionamento dello shield Alcohol detector con Arduino

Il modulo sensore MQ3 (U3) emette all’uscita B1 una tensione analogica proporzionale al livello di alcol rilevato. L’uscita B1 del sensore, tramite i tre pin (che devono essere messi in cortocircuito) del connettore J2, è collegata al pin ADC A0 di J1, al pin +IN dell’LM358 e ad un terminale della resistenza R8 da 10 Kohm, che così risulta collegata fra A0 e massa. Il circuito integrato LM358 (U2) utilizzato come comparatore confronta la tensione alcolemica al pin +IN con la tensione di soglia al pin -IN impostata dal trimmer R3: se la tensione +IN supera la tensione di soglia -IN, corrispondente ad un elevato livello di alcol, l’uscita OUT dell’LM358 va a livello alto accendendo il LED di allarme D1 e, nel contempo, invia questa informazione al pin d’ingresso digitale D7. Ricevuta l’informazione di allarme da D7, il software attiva anche il buzzer (SG1) di segnalazione acustica di allarme tramite il transistor BC547 (U4) portato in conduzione dal livello alto del segnale “buz” proveniente dal pin digitale di uscita D9. Il trimmer R10 regola il valore di resistenza fra A0 e massa. Il trimmer R1 regola la luminosità del display. La concentrazione di alcol nel sangue misurata in mg/L viene visualizzata dal display LCD (U1). Il pulsante (S1) quando viene premuto avvia il test, ovvero il dispositivo inizierà a misurare il livello di alcol acquisito dal sensore MQ3; lo stato del pulsante viene monitorato dal pin digitale d’ingresso D6.

Il sensore di gas alcolico MQ3

Il sensore MQ3 è realizzato utilizzando materiale SnO2 (elettrodo di biossido di stagno) che ha una minore conduttività nell'aria pulita. Ogni volta che questo materiale si avvicina al gas alcolico, inizia a condurre molto in funzione della concentrazione del gas. Quindi, è possibile percepire la presenza di alcol rilevando la differenza di tensione di uscita del sensore e calcolare il livello di alcol con un microcontrollore. MQ3 è un sensore economico e adatto a molte applicazioni per il rilevamento di alcol, inoltre, possiede una lunga durata e una buona sensibilità nella misurazione. Alcune delle applicazioni che possono essere realizzate utilizzando il sensore MQ3 sono: allarme gas alcolico, rilevatore di alcol portatile, etilometro ed altre ancora. La Figura 2 mostra il modulo MQ3.

Figura 2: Modulo sensore di alcol MQ3

Il modulo MQ3 è composto da micro tubo ceramico AL2O3, strato sensibile di biossido di stagno (SnO2), elettrodo di misurazione e riscaldatore. Tutti questi componenti sono fissati su una piastra in plastica montata all’interno di un contenitore cilindrico di acciaio inossidabile chiuso da una rete nella parte superiore. Il riscaldatore fornisce le condizioni di lavoro necessarie per il corretto funzionamento degli elementi sensibili. Il modulo MQ3 ha 6 pin, 4 dei quali sono utilizzati per i segnali e gli altri 2 per fornire corrente di riscaldamento.

Caratteristiche tecniche

Alimentazione 5V±0,1
Alta velocità di risposta e alta sensibilità ai vapori di alcol
Range di rilevamento di vapori di alcol da 0,05 mg/L a 10 mg/L
Bassa sensibilità al fumo e ai vapori di benzina
Tensione di uscita digitale (TTL) e analogica
Interfacciabile ai microcontrollori come Arduino, Raspberry Pi, ecc.

Regolazione della sensibilità

La risposta dell'MQ3 varia in funzione delle diverse concentrazioni di gas alcolico. Quindi, la regolazione della sensibilità è veramente necessaria. Si consiglia di calibrare il sensore a 0,4 mg/L (corrispondente a circa 200 PPM) di concentrazione di alcol nell'aria e utilizzare una resistenza di carico da 100 KΩ a 470 KΩ. Quando si effettua una misurazione accurata, il punto di allarme (di alcol elevato) appropriato del sensore deve essere determinato considerando l'influenza della temperatura e dell'umidità ambientale.

Realizzazione del PCB dello shield Alcohol detector

Per progettare il PCB dello shield Alcohol detector, si consiglia di utilizzare lo strumento software di progettazione online open source EasyEDA (https://easyeda.com/), poiché, oltre ad essere di agevole utilizzo, ha molte footprint di componenti. Dopo aver progettato il PCB, è possibile ordinare i campioni del PCB tramite i servizi di fabbricazione a basso costo offerti da JLCPCB (https://jlcpcb.com). I servizi includono anche approvvigionamento di componenti elettronici, quindi chi fosse interessato potrebbe ordinare i componenti necessari insieme all'ordine del PCB.

Con EasyEDA, oltre a progettare i propri circuiti e PCB, è possibile anche renderli pubblici in modo che altri utenti possano copiarli, così come sono stati resi pubblici lo schema elettrico e i layout del PCB dello shield del progetto ”Alcohol detector”, che possono essere visualizzati andando al link seguente: https://oshwlab.com/circuitdigest/Alcohol_Detector-6b80abe350df4526b21be4999638a36b. In EasyEDA è anche possibile visualizzare il PCB dopo la fabbricazione utilizzando il pulsante “Visualizzazione foto”, come mostrato in Figura 3.

Figura 3: PCB dello shield Alcohol detector

Quindi, ricapitolando, dopo aver realizzato il progetto del vostro PCB, nella pagina dell'editor EasyEDA si scarica il file gerber cliccando sul pulsante “Fabbricazione” e si seleziona “File di Fabbricazione PCB (Gerber)” (Figura 4); si aprirà una pagina simile a quella mostrata in Figura 5 in cui, in fondo alla pagina, si deve cliccare su “Genera Gerber” e nel Download del vostro computer troverete il file “Gerber_Alcohol-Detector.zip”.

Figura 4: Editor del progetto di esempio del PCB

Figura 5: Generazione del file Gerber

Il file gerber che avete scaricato si invia al fabbricante di PCB JLCPCB per ordinare i circuiti stampati indicando la quantità, che deve essere non inferiore a cinque pezzi. Ovviamente, è possibile rivolgersi anche ad altri fabbricanti di PCB, online e non, semplicemente fornendogli il file gerber del PCB che avrete realizzato e scaricabile da EasyEDA.

Se non volete cimentarvi nella progettazione del PCB dello shield Alcohol detector, in alternativa potete entrare nel sito https://oshwlab.com/circuitdigest/Alcohol_Detector-6b80abe350df4526b21be4999638a36b e scaricare direttamente il Gerber del PCB già realizzato dello shield. Una volta aperta la pagina del progetto “Alcohol Detector”, cliccate sul pulsante “Open in Editor”, che si trova sulla destra sotto l’immagine del layout del PCB, a fianco alla scritta “Alcohol Detector”. Si aprirà l’editor del PCB “Alcohol Detector”, quindi procedete a scaricare il Gerber mediante la procedura descritta sopra.

Ordinare il PCB da JLCPCB

Entrate nel sito JLCPCB https://jlcpcb.com/.com e in basso a sinistra, nella sezione “1-4 Layers” cliccate sul pulsante “Quote now” (tradotto: Richiedi preventivo). Si aprirà la pagina mostrata in Figura 6.

Figura 6: Sezione da compilare per il preventivo del PCB

Cliccate su "Add gerber file". Sarete indirizzati alla pagina in cui potrete caricare il file Gerber che avete scaricato da EasyEDA. Caricato il Gerber, JLCPCB aprirà una pagina come quella di Figura 7a in cui vedrete i layout fronte e retro del PCB e di seguito le opzioni da selezionare, se occorre.

Figura 7a: Sezione da compilare per il preventivo del PCB

Figura 7b: Sezione da compilare per il preventivo del PCB

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