基于單片機(jī)的智能防酒駕控制系統(tǒng)

任建鵬++李勤

摘 要：隨著人民生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車(chē)的保有量屢創(chuàng)新高，使我們的道路安全問(wèn)題面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了避免由酒駕引起的交通悲劇，設(shè)計(jì)一種智能電路來(lái)檢測(cè)駕駛員體內(nèi)的酒精含量并且能夠及時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火是非常有必要的。本系統(tǒng)采用前后雙MQ-3酒精傳感器自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理并顯示。

關(guān)鍵詞：防酒駕；酒精檢測(cè)；單片機(jī)；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0016-02

1 概述

隨著人民生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車(chē)的保有量屢創(chuàng)新高，使我們的道路安全問(wèn)題面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，全球每年有120多萬(wàn)人死于交通事故，這也是說(shuō)平均每20秒就有一人死于交通事故，其中大約有50%-60%的交通事故與酒后駕駛有關(guān)。酒后駕駛已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織列為車(chē)禍致死的首要原因。為了避免交通悲劇的發(fā)生，設(shè)計(jì)一種智能電路來(lái)檢測(cè)駕駛員體內(nèi)的酒精含量并且能夠及時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火是非常有必要的，同時(shí)還要排除車(chē)內(nèi)其他人員因喝酒對(duì)設(shè)備檢測(cè)的干擾，從而更加的合理、簡(jiǎn)便和人性化。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 智能防酒駕控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

智能防酒駕控制系統(tǒng)電路主要由酒精檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、STC89C52單片機(jī)控制模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊和光電報(bào)警模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火模塊及電源電路組成，系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 智能防酒駕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的工作原理：由車(chē)內(nèi)駕駛位和右后座位的兩個(gè)MQ-3酒精傳感器來(lái)測(cè)量飲酒后車(chē)內(nèi)駕駛員位置以及后座位置的酒精濃度，輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大處理后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)，最后由單片機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理來(lái)顯示酒精濃度，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的邏輯判斷處理，根據(jù)檢測(cè)到的酒精濃度和標(biāo)定值進(jìn)行比較，如果駕駛位上酒精傳感器檢測(cè)的酒精濃度大于后座檢測(cè)到的酒精濃度并且超過(guò)標(biāo)定值，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并且通過(guò)控制繼電器使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持熄火狀態(tài)；如果駕駛位上酒精傳感器檢測(cè)的酒精濃度遠(yuǎn)小于后座檢測(cè)到的酒精濃度且低于標(biāo)定值，則系統(tǒng)會(huì)保持待機(jī)狀態(tài)，可以點(diǎn)火啟動(dòng)汽車(chē)；如果駕駛位上酒精傳感器檢測(cè)的酒精濃度小于后座檢測(cè)到的酒精濃度但高于標(biāo)定值，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入重新檢測(cè)，對(duì)駕駛?cè)藛T體內(nèi)的酒精濃度進(jìn)行更加準(zhǔn)確檢測(cè)，要求駕駛?cè)藢?duì)酒精傳感器呼氣，從而控制汽車(chē)電機(jī)的啟動(dòng)工作。整個(gè)系統(tǒng)完全自啟，自動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)的酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)，不需要任何的人為操作從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便，并且防止酒后駕駛的行為。在檢測(cè)結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)在行駛過(guò)程中出現(xiàn)更換駕駛?cè)耍鼡Q后的駕駛?cè)颂幱诰坪篑{駛情況，酒精傳感器就會(huì)檢測(cè)出酒精濃度超標(biāo)，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，同時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警；而因?yàn)槌霈F(xiàn)駕駛?cè)孙嬀七^(guò)少，初步檢測(cè)使酒精濃度過(guò)低使得可以汽車(chē)正常行駛，但隨著行駛的時(shí)間變長(zhǎng)，由于車(chē)窗緊閉使得酒精濃度逐漸上升從而超標(biāo)，也會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，同時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警。

3 硬件的選擇

3.1 酒精傳感器的選擇

我國(guó)對(duì)酒后駕駛的標(biāo)準(zhǔn)是血液中酒精含量超過(guò)20毫克/百毫升即為酒后駕駛，80毫克/百毫升即為醉酒駕駛。而在檢測(cè)過(guò)程中系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛位酒精濃度（BrAC）與血液中酒精濃度（BAC）存在一定比例關(guān)系，當(dāng)檢測(cè)到酒精濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并且使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。為了避免檢測(cè)出現(xiàn)誤差，選擇一個(gè)性能較強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高的酒精傳感器是十分有必要的。

酒精傳感器是將探測(cè)到的酒精濃度轉(zhuǎn)換成有用電信號(hào)的器件，而酒精傳感器在本系統(tǒng)中是或不可缺的一個(gè)元器件。通過(guò)市場(chǎng)上使用的酒精傳感器的進(jìn)行比較，由于MQ-3傳感器對(duì)酒精氣體具有良好的靈敏度、長(zhǎng)壽命、低成本，對(duì)汽油、煙霧、水蒸氣的抗干擾能力強(qiáng)，由簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路連接即可使用，因此在本系統(tǒng)中選擇了MQ-3酒精傳感器。MQ-3氣體傳感器所使用的氣敏材料是在空氣中電導(dǎo)率是較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器隨著所處環(huán)境中酒精蒸汽的增加，傳感器的電導(dǎo)率也隨著酒精氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

MQ-3型酒精傳感器由陶瓷管、二氧化硅敏感層、測(cè)量電極以及加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。封裝的氣敏元件中包含有6只針狀管腳，其中4個(gè)管腳（兩個(gè)A 和兩個(gè)B）用于信號(hào)讀取，兩個(gè)H腳用于提供加熱電流。

傳感器主要由兩部分回路組成：其一是傳感器加熱回路；其二為傳感器信號(hào)輸出回路，它可以精確反映傳感器表面電阻的變化。傳感器表面電阻RS的變化，是通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號(hào)VRL出面獲得的。二者之間的關(guān)系表述為：RS/RL=（VC-VRL）/VRL，其中VC為回路電壓10V。負(fù)載電阻RL可調(diào)為0.5～200K，加熱電壓Uh為5V。這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0～5V。傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系慎密，為了使測(cè)量的酒精濃度最高誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測(cè)量前需將傳感器預(yù)熱5 分鐘。

3.2 單片機(jī)的選擇

選用STC89C52芯片，該芯片是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除、快速寫(xiě)入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間更是長(zhǎng)達(dá)十年，此屬于芯片功耗較低，全靜態(tài)工作，擁有8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，單芯片具有靈巧的8位cpu和系統(tǒng)可編程Flash。單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能，完全能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)需要，為系統(tǒng)提供高效率的信號(hào)處理。

STC89C52能夠構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長(zhǎng)度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶(hù)。該系統(tǒng)可以用5V電壓編程，而且擦寫(xiě)時(shí)間僅需10毫秒，僅為8751/87C51的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫(xiě)相比，不易損壞器件，沒(méi)有兩種電源的要求，改寫(xiě)時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬（2.7V～6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在0Hz～24MHz之間，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有靈活性，系統(tǒng)能快能慢。STC89C52芯片提供三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。P0口是三態(tài)雙向口，通稱(chēng)數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯?duì)外部存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)操作。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，被測(cè)量對(duì)象的有關(guān)變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，一般要經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號(hào)（電壓或電流），這些模擬電信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中用軟件進(jìn)行處理。能夠完成模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）。

在本設(shè)計(jì)中選用的是A/D0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這是一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片、工作頻率為250KHz的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32μS、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、5V電源供電時(shí)輸入電壓在 0～5V之間，由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高因而得到廣泛使用。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)

對(duì)于單片機(jī)的編程來(lái)說(shuō)，程序編寫(xiě)語(yǔ)言比較常見(jiàn)的有C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序比用匯編編寫(xiě)的程序更符合人們的思考習(xí)慣，且具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫(xiě)的模塊程序易于移植。

本系統(tǒng)的控制程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，主要包括系統(tǒng)初始化程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序、數(shù)據(jù)處理程序、語(yǔ)音報(bào)警、光電報(bào)警與發(fā)動(dòng)機(jī)熄火程序。

系統(tǒng)控制程序的工作過(guò)程如下：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始初始化，MQ-3酒精傳感器自動(dòng)檢測(cè)車(chē)內(nèi)駕駛位和后座的酒精濃度，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行酒精濃度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)行酒精濃度數(shù)據(jù)處理，判斷前后酒精濃度大小，同時(shí)判斷駕駛位酒精濃度是否超標(biāo)，若駕駛位酒精濃度較大并且超標(biāo)，則使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警、轉(zhuǎn)向燈閃爍；若駕駛位酒精濃度較小但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，則使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警、轉(zhuǎn)向燈閃爍；若駕駛位酒精濃度較小且剛超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，則對(duì)駕駛位重新進(jìn)行精確測(cè)量，并再次判斷酒精濃度是否超標(biāo)；若駕駛位酒精濃度較小且未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，則允許發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同步檢測(cè)車(chē)內(nèi)酒精濃度。

4.2 系統(tǒng)程序整體流程

系統(tǒng)程序主要完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警等功能。軟件通過(guò)酒精傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值與標(biāo)定值比較判斷駕駛員的飲酒情況，從而系統(tǒng)在進(jìn)行下一步判斷，系統(tǒng)程序整體流程圖如圖2所示：

5 結(jié)束語(yǔ)

利用前面各部分設(shè)計(jì)，制作基于單片機(jī)的防酒駕智能控制系統(tǒng)，改變目前市場(chǎng)已有的被動(dòng)式——需要駕駛者主動(dòng)向酒精傳感器呼氣，經(jīng)檢測(cè)合格后方可正常啟動(dòng)的方式，研發(fā)出新型的主動(dòng)式——系統(tǒng)自啟動(dòng)雙向檢測(cè)酒精濃度，簡(jiǎn)化操作步驟，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，且杜絕駕駛?cè)巳藶槎惚軝z測(cè)從而酒駕的可能。智能防酒駕控制系統(tǒng)價(jià)格低廉且穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)的準(zhǔn)確性高，該系統(tǒng)的推廣可以有效的降低酒駕帶來(lái)的危害，給道路交通帶來(lái)了一定的安全性，同時(shí)它的出現(xiàn)可以在一定程度上緩解交管部門(mén)的壓力。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬(wàn)隆.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]俞阿龍.傳感器原理及其應(yīng)用[M].南京：南京大學(xué)出版社，2010.

[3]梁集賢，楊青，荊瑩.駕駛員血液中酒精濃度（BAC）與交通事故相關(guān)性研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2007，4（5）：63-65.

[4]孟慶宇，祝玲，李鑫，等.語(yǔ)音防酒駕設(shè)計(jì)方案[J].電子世界，2015，11.