酒后駕駛發(fā)動(dòng)機(jī)自鎖系統(tǒng)的研究與開發(fā)

阮觀強(qiáng)

（上海電機(jī)學(xué)院 汽車學(xué)院，上海 200245）

0 引言

2008年世界衛(wèi)生組織的事故調(diào)查顯示，大約50% 60%的交通事故與酒后駕駛有關(guān)，酒后駕駛已經(jīng)被列為車禍致死的主要原因。在中國(guó)，每年由于酒后駕車引發(fā)的交通事故達(dá)數(shù)萬(wàn)起；而造成死亡的事故中50%以上都與酒后駕車有關(guān)，酒后駕車的危害觸目驚心，已經(jīng)成為交通事故的第一大“殺手”。2010年8月，十一屆全國(guó)人大常委會(huì)第十六次會(huì)議將首次審議刑法修正案（八）草案，醉酒駕駛或被判刑。

雖然近年來(lái)國(guó)家對(duì)酒后駕駛的執(zhí)法力度越來(lái)越嚴(yán)厲，但由于交警部門抽查實(shí)施面小，無(wú)法對(duì)酒后駕車進(jìn)行更有效的控制。所以，設(shè)計(jì)一種酒精探測(cè)安全控制系統(tǒng)，將從技術(shù)層面上有效避免酒后駕車現(xiàn)象。本文提出了一種酒后駕駛發(fā)動(dòng)機(jī)自鎖系統(tǒng)，單片機(jī)的應(yīng)用使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，并采取了有效的防作弊措施。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采取對(duì)駕駛員的呼氣中酒精含量進(jìn)行檢測(cè)的方式，對(duì)駕駛員是否酒后駕車進(jìn)行判斷，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)駕駛員打開車門電子鎖時(shí)，該系統(tǒng)即接通電源，等到駕駛員上車直到準(zhǔn)備起步，酒精探測(cè)器早已預(yù)熱好，開始工作。酒精探測(cè)器位于方向盤中心，有利于最大限度地檢測(cè)駕駛員呼氣中的酒精含量。所測(cè)氣體中的酒精含量的濃度與酒精探測(cè)器檢測(cè)后產(chǎn)生的電壓值成比例。檢測(cè)信號(hào)通過(guò)處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理判斷：若酒精含量低于閥值，系統(tǒng)不作為，汽車正常起步行駛；若酒精含量在閥值以上，則單片機(jī)立即啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)球芯式油閥，切斷油路，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。由于系統(tǒng)對(duì)酒精含量全時(shí)監(jiān)控，油路的通斷決定于酒精含量是否低于閥值，這就使駕駛員無(wú)法在酒后情況下找人代替開鎖或者實(shí)現(xiàn)飲用大量飲料以掩蓋酒氣。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 酒精探測(cè)器

本系統(tǒng)并非采用主動(dòng)呼氣的方法，而是采用被動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式，一旦檢測(cè)到酒精含量超標(biāo)，即采取自鎖措施。因此，系統(tǒng)對(duì)酒精傳感器有著較高的精度要求。為此，在本系統(tǒng)裝置中，采用漢威電子先進(jìn)的納米半導(dǎo)體熱線型傳感器，其響應(yīng)、恢復(fù)迅速，具有極好的的靈敏度和出色的重復(fù)性。測(cè)試響應(yīng)時(shí)間小于2s；測(cè)量范圍：0.00 1.00mg/L (0.00 0.20%BAC, 0.00 2.00g/L)；報(bào)警濃度：0.24mg/L (0.05%BAC, 0.5g/L)；精確度：±10%F.S。

2.2 單片機(jī)及數(shù)模轉(zhuǎn)換

2.2.1 AT89S52單片機(jī)

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，1000次擦寫周期、256字節(jié)RAM、全靜態(tài)操作：0Hz 33MHz、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器、32個(gè)可編程I/O口線、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、八個(gè)中斷源、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時(shí)器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識(shí)符。

2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)送入微機(jī)處理，在本系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是將酒精傳感器的采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)，是連接處理器和外部元件的橋梁，數(shù)模轉(zhuǎn)換效果的好壞直接影響著這個(gè)系統(tǒng)的工作質(zhì)量。

由于本系統(tǒng)在工作原理上采用人員被動(dòng)、系統(tǒng)主動(dòng)的監(jiān)測(cè)方式，故整個(gè)系統(tǒng)快速的數(shù)據(jù)傳輸與處理，對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換的速度有了較高的要求。為此本系統(tǒng)采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9057。AD9057是美國(guó)ADI (Analog Device International)公司生產(chǎn)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它速度高、功耗低、尺寸小、價(jià)格低廉、使用方便，具有最高80MHz的采樣頻率。

2.3 斷油步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

本系統(tǒng)采用四相混合式步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與球芯式油閥的閥芯連接，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，油閥剛好完全切斷油路。此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)需要50個(gè)脈沖來(lái)完成轉(zhuǎn)動(dòng)90°。四相混合式步進(jìn)電機(jī)一般由兩相驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，因此，連接時(shí)可以采用串聯(lián)接法或并聯(lián)接法將四相電機(jī)接成兩相使用。串聯(lián)接法一般在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合使用，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)器輸出電流為電機(jī)相電流的0.7倍，因而電機(jī)發(fā)熱小。由于系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不高，因此，在這里步進(jìn)電機(jī)采用串聯(lián)接法。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，都是對(duì)各個(gè)相一次有序的發(fā)送脈沖，發(fā)送的頻率高就轉(zhuǎn)得快。其中每一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。然而單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)：一是單片機(jī)驅(qū)動(dòng)力不夠，二是電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)載會(huì)有反電動(dòng)勢(shì)，容易在一個(gè)脈沖結(jié)束后產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)灌入單片機(jī)從而損壞單片機(jī)。所以需添加驅(qū)動(dòng)電路來(lái)增加單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)力才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。如圖2所示。

2.4 語(yǔ)音提示器

語(yǔ)音提示裝置使用揚(yáng)聲器，并采用語(yǔ)音處理芯片AC48105進(jìn)行連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序由主程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序、語(yǔ)音提示子程序與斷油子程序、語(yǔ)音提示和斷油回復(fù)子程序、中斷子程序。系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言編程，模塊化設(shè)計(jì)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序完成系統(tǒng)初始化、調(diào)用子程序以及數(shù)據(jù)處理等功能。具體流程圖如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序

啟用酒精傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.3 語(yǔ)音提示和斷油子程序

控制揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)切斷油路。在系統(tǒng)循環(huán)中，如果上次循環(huán)進(jìn)行了語(yǔ)音提示和斷油操作，此次循環(huán)酒精濃度如若仍超過(guò)閥值，則語(yǔ)音提示和斷油操作保持不動(dòng)。

圖3 主程序流程圖

3.4 語(yǔ)音提示和斷油回復(fù)子程序

上一循環(huán)中進(jìn)行了語(yǔ)音提示和斷油，此次酒精含量未超過(guò)閥值，則調(diào)用回復(fù)子程序控制揚(yáng)聲器停止警報(bào)，斷油電機(jī)回轉(zhuǎn)，恢復(fù)供油。

3.5 中斷子程序

主要進(jìn)行掉電保護(hù)，是為了中斷子程序執(zhí)行完以后能夠返回到你程序中斷點(diǎn)，即產(chǎn)生中斷的地方，使程序能夠繼續(xù)向下執(zhí)行。

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)該系統(tǒng)的工作原理將硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)整合在一起，裝機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分成四組，第一組為只有駕駛員飲酒過(guò)量，第二組為只有乘客飲酒過(guò)量，第三組為駕駛員與乘客都飲酒過(guò)量，第四組為駕駛員與乘客都未喝過(guò)酒。（酒精濃度為20mg/100ml 80mg/100ml）

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,在酒精探測(cè)器測(cè)得車內(nèi)酒精濃度超過(guò)20mg/100ml時(shí)，揚(yáng)聲器就會(huì)發(fā)出警告聲音，此時(shí)需要對(duì)駕駛員進(jìn)行身份確認(rèn)并對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，若測(cè)得駕駛員為酒后駕駛則無(wú)法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，若測(cè)得駕駛員不是酒后駕駛，則發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常啟動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的酒后駕駛發(fā)動(dòng)機(jī)自鎖系統(tǒng)突出其隱性化和防作弊的特點(diǎn)。一般的酒精鎖，在每次開車之前，都必須要向其主動(dòng)呼氣，讓人不耐煩，而該酒后駕車自鎖系統(tǒng)在正常未飲酒開車的情況下，如同不存在。其全時(shí)監(jiān)測(cè)功能更是讓駕駛員無(wú)法作弊。既顧及了駕駛員的耐心，又避免了駕駛員因酒后駕車帶來(lái)的安全隱患。人性化的設(shè)計(jì)和出色的安全效能將使該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

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