基于單片機(jī)的智能模擬酒駕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李星緯　馬春宇

摘要：本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，由酒精傳感器、液晶顯示屏、報(bào)警器、汽車制動(dòng)系統(tǒng)等硬件設(shè)備共同組成的一種智能酒駕控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的原理是通過檢測車內(nèi)空氣中酒精濃度并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再交由單片機(jī)來處理數(shù)據(jù)并判斷是否酒駕。液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示酒精濃度，并在超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)由報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，從而達(dá)到預(yù)防和提醒酒駕行為的目的。該系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中得到一定的應(yīng)用并取得良好效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；酒駕控制；報(bào)警

隨著經(jīng)濟(jì)增長人們買車變得越來越容易，在人類享受到便捷和舒適的交通的同時(shí)，酒駕這一道路安全問題也變得越來越嚴(yán)重。正常人飲酒后在酒精的刺激下，人的視覺和反應(yīng)處于異常狀態(tài)，所以在駕駛過程中存在著極大的安全隱患。本設(shè)計(jì)不僅能夠準(zhǔn)確判斷駕駛室的酒精濃度并發(fā)出報(bào)警，還能夠與汽車引擎系統(tǒng)進(jìn)行連接，在檢測到酒駕行為之后禁止駕駛者啟動(dòng)汽車。該系統(tǒng)的推廣可以有效地減少酒后駕駛行為的發(fā)生。

1酒精檢測原理

本系統(tǒng)由液晶顯示屏、傳感器、單片機(jī)控制器、語音報(bào)警器、人體紅外感應(yīng)器、轉(zhuǎn)換器以及繼電器等組成；傳感器可以對(duì)空氣中酒精的濃度進(jìn)行采集和檢測，并經(jīng)由轉(zhuǎn)換器對(duì)不同區(qū)間的酒精濃度和電壓之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行一系列的線性化的處理，把傳感器采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D的轉(zhuǎn)換，傳送給控制單元單片機(jī)，交由單片機(jī)進(jìn)行處理并計(jì)算輸出控制信號(hào)到顯示屏以及報(bào)警器，最終顯示出酒精濃度或者發(fā)出警報(bào)來提醒駕駛員現(xiàn)在是否酒駕。此外，本設(shè)計(jì)也可以通過調(diào)節(jié)SM-3傳感器的滑動(dòng)變阻器，設(shè)定不同的酒精含量值。信號(hào)采集模塊檢測到的酒精濃度值大于所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，蜂鳴器就會(huì)啟動(dòng)，發(fā)出警報(bào)。與此同時(shí)，制動(dòng)設(shè)備會(huì)控制汽車，禁止汽車點(diǎn)火啟動(dòng)。我們認(rèn)為本系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于酒駕行為的預(yù)防和制止具有非常顯著的效果，可以有效地保障駕駛?cè)藛T和行人的生命安全。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品采用高度模塊化的設(shè)計(jì)，其主體分為信號(hào)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、汽車控制模塊、人體感應(yīng)模塊以及報(bào)警模塊。我們采用了模塊化的新穎設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)各部分硬件的可維護(hù)性以及未來的擴(kuò)展性。

1）人體感應(yīng)模塊：該模塊利用了紅外感應(yīng)器從而可以判斷是否有人員處在駕駛員位置，MQ-3酒精傳感器通過檢測空氣中的酒精濃度可以判斷駕駛位置所坐的人員是否喝酒。通過和核心部件單片機(jī)的相互連接，在人體感應(yīng)模塊感應(yīng)到有人員坐在駕駛員位置時(shí)，單片機(jī)會(huì)立刻處理來自人體感應(yīng)模塊傳出的信號(hào)。人體感應(yīng)模塊運(yùn)行的工作原理大體就是“自動(dòng)感應(yīng)”，當(dāng)模塊傳出的高電平“1”時(shí)，表示有人在感應(yīng)的范圍內(nèi)，當(dāng)傳出低電平“0”時(shí)，則表明人已經(jīng)離開了感應(yīng)的范圍。

2）信號(hào)采集模塊：我們?cè)贛Q-3加熱電阻兩端接上5V的直流穩(wěn)壓電源，通電之后讓電阻絲加熱敏感體電阻。MQ-3的阻值和輸出電壓的變化通過A/D0832轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終將轉(zhuǎn)化的信號(hào)交由單片機(jī)進(jìn)行處理。模擬信號(hào)輸出端能輸出的信號(hào)范圍為0至+5V。因此，采集模塊檢測到空氣中的酒精濃度越大，輸出端輸出的電壓越高。通過將該輸出端口接入AD0832轉(zhuǎn)換器中的第2號(hào)引腳上我們，就可以實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。

3）信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊：酒精傳感器通過CHO輸入電壓至A/D0832轉(zhuǎn)換器，將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)的數(shù)字信號(hào)，最后由D0與DI口傳遞給單片機(jī)。ADC0832是最高分辨達(dá)256級(jí)的8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其足以滿足一般的模擬量轉(zhuǎn)換任務(wù)的需求。芯片的模擬電壓輸人通過內(nèi)部電源輸入和參考電壓的復(fù)用可以控制在0-5V之間。該模塊的酒精傳感器檢測到空氣中含有酒精并檢測出酒精的濃度之后，酒精的濃度會(huì)被單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換為電壓值，而A/D轉(zhuǎn)換器的職責(zé)是在將接收到的信號(hào)采集模塊所測的空氣中的酒精含量值進(jìn)行處理并編碼。我們將電壓比較器和酒精檢測器之間相互連接，再將電位器和比較器連接，最終利用電位器的特性來實(shí)現(xiàn)用電壓值來改變負(fù)相輸出端。而我們最初設(shè)定的酒精合理的含量值便是次電壓值。

4）顯示模塊：本設(shè)計(jì)采用的是共陰極四位一體數(shù)碼管，該模塊在傳感器檢測到車內(nèi)空氣酒精含量大于設(shè)定的合理范圍之后，通過核心處理單元單片機(jī)的一系列運(yùn)算最終計(jì)算出空氣中的酒精含量值以后，將計(jì)算出來的濃度值發(fā)送給LED顯示器，從而在視覺上起到提醒作用。

5）報(bào)警模塊：MQ-3傳感器所檢測到的酒精含量值將被傳感器交由核心單片機(jī)處理，當(dāng)大于合理的設(shè)定值，報(bào)警模塊將啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警的作用，LED燈會(huì)點(diǎn)亮同時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出語音，提醒駕駛員已經(jīng)酒駕。

6）控制模塊：正常環(huán)境下單片機(jī)輸出高電平的信號(hào)，汽車可以正常點(diǎn)火啟動(dòng)。信號(hào)采集模塊檢測到空氣中酒精濃度異常時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)將傳感器輸送的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)給單片機(jī)進(jìn)行處理，并檢測出酒精的含量值，如果酒精的含量值大于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，汽車啟動(dòng)電路將會(huì)被切斷，無法啟動(dòng)，并且發(fā)出報(bào)警。

7）復(fù)位電路：單片機(jī)中有一個(gè)程序指針，它在工作過程中會(huì)指向即將執(zhí)行的程序。單片機(jī)上執(zhí)行復(fù)位操作后程序指針將會(huì)指向程序的0000H地址處，也就是單片機(jī)即將要執(zhí)行的第一條語句。在之后每執(zhí)行完一條語句指針都會(huì)依次增加，以確保每次執(zhí)行的程序都處在正確狀態(tài)。沒有它單片機(jī)就不知道該從何執(zhí)行，也不知道工作時(shí)該執(zhí)行的正確語句是哪條。指針的上電自動(dòng)復(fù)位會(huì)讓各端口的輸入輸出電平不會(huì)處在不確定的狀態(tài)，更不會(huì)使外部設(shè)備產(chǎn)生錯(cuò)誤的操作。進(jìn)一步防止單片機(jī)里的一些控制寄存器功能紊亂。

上電復(fù)位功能的具體實(shí)現(xiàn)原理為，RST引腳在接通電源的一瞬間獲得高電平，由于電容電壓不能跟著瞬間變化，RST引腳所獲得的高電平隨著下圖中的C1充電，而逐漸下降。但是需要保持兩個(gè)機(jī)器時(shí)間的這段時(shí)間內(nèi)單片機(jī)可以復(fù)位。

我們?cè)趶?fù)位電路的設(shè)計(jì)中應(yīng)選用參數(shù)最為合適的元器件，電阻的阻值要合適，不要過小或過大。阻值過大RST不會(huì)獲得高電平，阻值過小也不會(huì)發(fā)揮限流作用。電容的容值也要大小合適以確保RST因腳上的高電平可以在放電過程中保持兩個(gè)機(jī)器周期。

8）晶振電路：單片機(jī)想在工作時(shí)各指令在操作上要依照嚴(yán)格的時(shí)間次序來工作，就必須接受時(shí)鐘信號(hào)的控制，否則會(huì)造成系統(tǒng)錯(cuò)亂。而時(shí)鐘信號(hào)的提供方式主要分為兩種，內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。外部時(shí)鐘方式如下，在XTAL1段引入已有的外部時(shí)鐘信號(hào)的同時(shí)使XTAL2端處于懸空狀態(tài)，因此外部時(shí)鐘信號(hào)多為12MHz以內(nèi)的方波。外部時(shí)鐘方式多應(yīng)用于單片機(jī)的通信這種多單片機(jī)一起協(xié)同工作的任務(wù)，其優(yōu)點(diǎn)是會(huì)讓單片機(jī)的工作節(jié)奏統(tǒng)一。但是出于對(duì)電路結(jié)構(gòu)精簡程度和功率消耗的考慮，本設(shè)計(jì)采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式。

我們選擇內(nèi)部時(shí)鐘方式是基于盡量減少系統(tǒng)功耗的原則而考慮的。晶體振蕩器的作用為產(chǎn)生原始的時(shí)鐘頻率。石英晶體與XTAL1與XTAL2連接與單片機(jī)片內(nèi)的震蕩電路共同形成震蕩回路，而電容的容值都為22pF從而加快起振和穩(wěn)定頻率。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先信息采集模塊中的酒精檢測裝置會(huì)采集空氣中的酒精濃度信息，信息被A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)再交由核心單片機(jī)處理，判斷是否酒駕。如若酒駕，單片機(jī)將輸出控制信號(hào)，LED顯示器模塊和蜂鳴器警報(bào)模塊。發(fā)出警報(bào)，并使汽車不能啟動(dòng)。

4總結(jié)

因?yàn)榫岂{行為會(huì)造成巨大危害，所以在交警部門進(jìn)行嚴(yán)打之外，在汽車內(nèi)部進(jìn)行一定程度的自我檢測與自我提醒也是必要的。通過傳感器進(jìn)行檢測并由報(bào)警器進(jìn)行提醒，可以一定程度上從根源上制止酒駕這種行為的發(fā)生。因此我認(rèn)為我們的產(chǎn)品在這種社會(huì)環(huán)境的需求下具有很大的前景。