基于STC89C52RC單片機(jī)的防酒駕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊森，李月娥，張翀昊

（1.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031；2.山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著公路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，道路交通安全越來越引起重視，尤其是酒駕引發(fā)的交通事故。國家自2011年5月1日起將醉駕定為“危險(xiǎn)駕駛罪”，并追究駕駛者的刑事責(zé)任［1］；同時(shí)交管部門不斷加大公路管控，嚴(yán)厲處罰酒后駕車行為，但僅從法律和行政角度并不能完全杜絕醉駕的發(fā)生。針對(duì)人為因素引起的交通安全問題，車輛主動(dòng)安全技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。從車輛的主動(dòng)安全入手，設(shè)計(jì)一款能夠自動(dòng)檢測(cè)酒精、人性化的“防酒駕”車載系統(tǒng)越來越收到關(guān)注。

目前國內(nèi)外很多汽車生產(chǎn)企業(yè)都在積極研發(fā)“防酒駕”系統(tǒng)。意大利一研究所研發(fā)“酒精鑰匙”來防止酒駕，但并非將“酒精鑰匙”與汽車鑰匙集合在一起，而是獨(dú)立與汽車相連，同時(shí)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整合，以更好地達(dá)到監(jiān)控目的［2］。日本的一家車企借助傳感器和視頻裝置，采集車內(nèi)的酒精氣味，結(jié)合駕駛員的身體機(jī)能狀態(tài)，判斷其是否酒駕或疲勞駕駛［3］。美國一家公司設(shè)計(jì)一款具有防酒駕功能的新型手機(jī)，利用手機(jī)采集酒精信息，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程電腦，并進(jìn)行預(yù)警［4］。目前“防酒駕”系統(tǒng)的研究，基本都是借助傳感器采集酒精氣味，判定酒精含量是否超標(biāo)，進(jìn)而影響汽車引擎電路［5－9］。但這些都需要乘車前專門操作設(shè)備來測(cè)量酒精濃度，而且使用衛(wèi)星監(jiān)控，判斷駕駛者行為姿態(tài)等一系列數(shù)據(jù)來預(yù)防酒駕，這樣不僅系統(tǒng)復(fù)雜，而且成本極高。

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提供一種精簡有效且價(jià)格低廉、設(shè)計(jì)人性化的具有自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警功能的防酒駕系統(tǒng)，能適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境，體積小、功耗低，便于安裝；同時(shí)全程語音提示，在酒駕發(fā)生時(shí)向車主親友發(fā)送警告短信；且操作簡便、擴(kuò)展性強(qiáng)、安全可靠、成本低廉。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求

通過由單片機(jī)控制的系統(tǒng)來檢測(cè)酒精，并進(jìn)行酒駕警告，將系統(tǒng)安裝在汽車上，自動(dòng)檢測(cè)、智能化、人性化程度高、功耗低，能有效預(yù)防酒后駕駛行為，從而減少交通事故的發(fā)生，彌補(bǔ)交通稽查工作的不足與疏漏。結(jié)合實(shí)際情況，確定系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）駕駛員酒后一旦進(jìn)入駕駛室，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)并使車輛點(diǎn)火開關(guān)處于斷電狀態(tài)。

（2）系統(tǒng)語音提示駕駛員已經(jīng)飲酒，車輛無法啟動(dòng)；如果駕駛員執(zhí)意要進(jìn)行酒駕，系統(tǒng)自動(dòng)向車主親友手機(jī)發(fā)送預(yù)警短信。

（3）當(dāng)非飲酒人進(jìn)入駕駛室，車輛啟動(dòng)電路自動(dòng)正常打開，車輛可以啟動(dòng)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由電源模塊、酒精檢測(cè)模塊、紅外感應(yīng)模塊、單片機(jī)模塊、語音模塊、LCD模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、GSM模塊等組成，如圖1所示。系統(tǒng)整體分為上下兩部分，上部主要集成用來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和信息顯示的模塊和元件，下部主要集成GSM通信電路和單片機(jī)控制電路，如圖2、圖3所示，防酒駕系統(tǒng)完整實(shí)物如圖4所示。

（1）酒精采集模塊：MQ－3酒精傳感器模塊包含傳感器探頭與調(diào)整電路，主要采集酒精。（2）紅外感應(yīng)模塊：將紅外線傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)使用。

（3）單片機(jī)模塊：單片機(jī)對(duì)采集模塊回傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，控制功能模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

（4）繼電器驅(qū)動(dòng)模塊：單片機(jī)將信號(hào)通過下拉電阻后，經(jīng)過三極管使繼電器通電閉合從而切斷車輛啟動(dòng)電路。當(dāng)濃度低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。

（5）語音模塊：對(duì)于酒精是否超標(biāo)有對(duì)應(yīng)的語音提示。

（6）GSM模塊：酒精濃度超標(biāo)，駕駛員執(zhí)意要進(jìn)行酒駕時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向車主親友手機(jī)發(fā)送預(yù)警短信。

MQ－3酒精傳感器與人體紅外感應(yīng)裝置安置于駕駛艙上方，這樣在駕駛員進(jìn)入座位時(shí)即可開啟系統(tǒng)，若駕駛員飲酒，則其呼出的氣體中的酒精蒸汽會(huì)向上流動(dòng)，這樣可使MQ－3傳感器有效的檢測(cè)到酒精，也可防止其他乘客飲酒使得車輛無法啟動(dòng)的情況發(fā)生。按鍵、電源開關(guān)、顯示器和語音模塊集成在上部，可以清晰地看到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息。語音模塊的輸出端通過3.5mm的音頻線連接到車輛的音響設(shè)備上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)語音的實(shí)時(shí)提醒。

單片機(jī)和GSM模塊屬于整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，放置于下部，可以很好地保護(hù)其不受損害，增加了使用壽命；同時(shí)GSM通信模塊天線在整個(gè)設(shè)備的后面，沒有被上部遮蓋，這樣很好地保證了通信質(zhì)量。整體設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)復(fù)雜路況有很好的適應(yīng)性。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的部分模塊

2.1 MQ－3酒精傳感器

MQ－3酒精傳感器是一種二氧化錫半導(dǎo)體型氣體傳感器，對(duì)酒精反應(yīng)具有較高的靈敏度和快速響應(yīng)。當(dāng)傳感器采集到酒精后，通過“燃燒”引起電阻變化，檢測(cè)的酒精濃度越大，輸出的電壓越高。

Fig.1 Schematic block of system hardware圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

Fig.2 Hardware upper part of the structure圖2 硬件上部分結(jié)構(gòu)圖

利用MQ－3酒精傳感器在空氣中對(duì)乙醇?xì)怏w的靈敏度特性，設(shè)計(jì)酒精檢測(cè)電路，在檢測(cè)電路中電阻元件的阻值隨著乙醇?xì)怏w濃度的增加而減小，如圖5、圖6為酒精采集模塊原理圖及酒精采集模塊實(shí)物圖。

不同的車輛在不同的季節(jié)和天氣條件下，駕駛艙內(nèi)的溫度濕度不同，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)酒精檢測(cè)的靈敏度產(chǎn)生偏差。因此使用MQ－3傳感器時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的。圖7顯示MQ－3型氣敏元件的溫度濕度特性，借此可利用專業(yè)的乙醇蒸氣校準(zhǔn)傳感器，通過調(diào)節(jié)MQ－3傳感器模塊上的靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整系統(tǒng)的靈敏度，以適用不同的環(huán)境需求。

2.2 GSM通信模塊

為了使系統(tǒng)更加人性化，提高安全預(yù)警系數(shù)，系統(tǒng)特設(shè)計(jì)無線預(yù)警功能，即通過通知駕駛員親人的方法，讓其家人參與阻止酒駕行為。例如，在系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛員飲酒后，系統(tǒng)會(huì)通知駕駛員親人，告知其駕駛員在酒駕，則此時(shí)被通知人即可電話聯(lián)系駕駛員，勸阻其進(jìn)行酒駕，更有效地防止酒駕危險(xiǎn)行為的發(fā)生。

（1）GSM通信模塊的選擇

Fig.3 Hardware underneath part of the structure圖3 硬件下部分結(jié)構(gòu)圖

Fig.5 Alcohol acquisition module principle圖5 酒精采集模塊原理

Fig.6 Alcohol acquisition module kind圖6 酒精采集模塊實(shí)物圖

Fig.7 Characteristics of temperature and humidity sensor MQ－3圖7 MQ－3傳感器的溫度濕度特性

為了可以遠(yuǎn)程通知他人，在設(shè)計(jì)之初考慮到的方案有wifi通訊、藍(lán)牙、3G、4G通信技術(shù)等，但是由于WiFi與藍(lán)牙的通信距離太短，而WiFi熱點(diǎn)并沒有做到大面積完全覆蓋，3G、4G網(wǎng)絡(luò)在某些偏遠(yuǎn)地區(qū)還未架設(shè)網(wǎng)絡(luò)；而GSM經(jīng)過長時(shí)間的使用，技術(shù)應(yīng)用以完全成熟，且基本做到了全球覆蓋，通過短信通知的形式，無論駕駛員與被通知人相距多遠(yuǎn)，都能及時(shí)地將警告信息送達(dá)，可以很好地保證通信質(zhì)量。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定采用GSM通信手段，通過短信來進(jìn)行信息傳送。

（2）GSM通信接口設(shè)計(jì)

GSM通信模塊主要涉及AT指令和Unicode編碼［10］。本模塊只識(shí)別Unicode編碼，在短信發(fā)送時(shí)需要將漢字轉(zhuǎn)化成Unicode碼，再將編碼由單片機(jī)通過串口傳送給模塊，進(jìn)而發(fā)送短信。

GSM通信模塊在與STC8592RC單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，使用RS232選擇接口［11］。其中：

1）STXD和SRXD是SIM900A的數(shù)據(jù)通信串口，默認(rèn)發(fā)送的AT指令以及數(shù)據(jù)等都是通過這兩個(gè)端口的；

2）DTXD和DRXD是調(diào)試串口，主要是軟件升級(jí)時(shí)使用；

3）RTXD和RRXD是RS232串口，經(jīng)過SP3232芯片轉(zhuǎn)換后的串口端口。

STXD和SRXD端口可以進(jìn)行兼容性處理，支持LVTTL電平（即3.3V／5V）的單片機(jī)系統(tǒng)，可以直接將STXD和SRXD與單片機(jī)系統(tǒng)的RXD和TXD連接，實(shí)現(xiàn)與SIM900A的通信。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接使用STXD和SRXD與單片機(jī)連接。

（3）GSM通信編碼設(shè)計(jì)

1）通信內(nèi)容編碼

系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的短信內(nèi)容為：“您好，車牌號(hào)為XX的車輛發(fā)生酒駕行為，望您及時(shí)勸解防止危險(xiǎn)發(fā)生！”對(duì)應(yīng)的Unicode編碼為：

2）通信手機(jī)編碼

手機(jī)號(hào)碼涉及的碼元有“0～9”，因此需對(duì)0至9數(shù)字進(jìn)行Unicode編碼處理，以下為0至9對(duì)應(yīng)的Unicode編碼，如表1所示。

表1 手機(jī)號(hào)碼編碼Table 1 Code of mobilephone number

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)駕駛員進(jìn)入駕駛艙時(shí)，人體紅外感應(yīng)器檢測(cè)到人體存在，向單片機(jī)1發(fā)出低電平，單片機(jī)1開啟系統(tǒng)開始檢測(cè)酒精濃度。若無酒精，單片機(jī)1控制繼電器打開，使得車輛點(diǎn)火開關(guān)電路正常導(dǎo)通，音響設(shè)備提示“沒有發(fā)現(xiàn)酒精，可以啟動(dòng)”，液晶顯示器顯示“you can drive”字樣，此時(shí)即可用車鑰匙正常啟動(dòng)車輛。若檢測(cè)到酒精，則單片機(jī)A1控制語音裝置5發(fā)出警告：“警告！發(fā)現(xiàn)酒精，車輛進(jìn)入自鎖程序”，液晶顯示器顯示“Warning！You drink wine！”，繼電器會(huì)將車輛點(diǎn)火開關(guān)電路斷開使車輛無法啟動(dòng)，同時(shí)單片機(jī)1會(huì)通知單片機(jī)2利用GSM通訊裝置向車主親友的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信“您好，車牌號(hào)為XX的車輛發(fā)生酒駕行為，望您及時(shí)勸解防止危險(xiǎn)發(fā)生！”。5s后系統(tǒng)會(huì)語音詢問：“是否更換駕駛員？”此時(shí)，按下左按鍵確認(rèn)，單片機(jī)1會(huì)對(duì)新的駕駛員進(jìn)行檢測(cè)，按下右按鍵則系統(tǒng)鎖定，車輛將不會(huì)被啟動(dòng)。系統(tǒng)流程如圖8所示。

Fig.8 System flowchart圖8 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要用來檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性以及存在的問題。為達(dá)到測(cè)試效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)專用的測(cè)試平臺(tái)，分為主控、音響、模擬和感應(yīng)區(qū)四個(gè)區(qū)域，用來模擬系統(tǒng)所處環(huán)境，以便更好地呈現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用效果，模擬環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖9所示。

（1）模擬區(qū)：用來模擬車輛的“點(diǎn)火”開關(guān)電路，若車輛可正常啟動(dòng)時(shí)，模擬區(qū)的直流電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，表示車輛啟動(dòng)。

（2）感應(yīng)區(qū)：用來模擬駕駛員進(jìn)入駕駛艙時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的動(dòng)作。

（3）主控區(qū)：本系統(tǒng)的核心控制部分。

Fig.9 System Test Platform圖9 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

（4）音響區(qū)：用來播放警報(bào)音和提示音。

4.1 系統(tǒng)模塊功能測(cè)試

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)，針對(duì)系統(tǒng)硬件供電不穩(wěn)、按鍵不靈、檢測(cè)不靈敏、通信干擾等問題，采用了合適的解決方案；同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的酒精檢測(cè)、紅外感應(yīng)、語音報(bào)警、GSM通信、LCD液晶顯示等功能模塊進(jìn)行綜合測(cè)試，如表2、表3所示。

表2 系統(tǒng)模塊功能驗(yàn)證Table 2 System Module functional verification

表3 酒精檢測(cè)和GSM通信成功率Table 3 Alcohol test and GSM communication success rate

通過仿真環(huán)境測(cè)試，可以看出系統(tǒng)酒精檢測(cè)和發(fā)送預(yù)警短信的成功率較高，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)酒精、報(bào)警功能的預(yù)期效果，表明系統(tǒng)在酒駕發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警，在一定程度上可以降低交通事故隱患。

5 結(jié)語

通過對(duì)系統(tǒng)功能以及軟件工作流程的研究，基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，全程具有語音提示；在檢測(cè)到駕駛員飲酒時(shí)，系統(tǒng)利用GSM通信模塊向車主親友發(fā)送短信預(yù)警，讓家人參與防止酒駕，設(shè)計(jì)更加人性化，更大程度地提高了系統(tǒng)的安全系數(shù)和防止酒駕的有效性。同時(shí)系統(tǒng)預(yù)留一定數(shù)量的I／O接口，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以加裝一些車輛輔助系統(tǒng)，如GPS定位、車速檢測(cè)、海拔測(cè)量、溫度、濕度顯示等功能［12－13］。

系統(tǒng)可以直接用于車載，從主動(dòng)安全角度出發(fā)，禁止酒后駕駛?cè)藛T啟動(dòng)汽車引擎，在酒駕發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警，對(duì)預(yù)防酒后駕車具有很好的效果，從而減少交通事故的發(fā)生，彌補(bǔ)了交通稽查工作的不足與疏漏，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值和社會(huì)意義。

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