基于單片機(jī)的智能防酒駕裝置設(shè)計(jì)

丁亞東，熊剛

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

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[1]。在中國，每年由于酒后駕車引發(fā)的交通事故達(dá)數(shù)萬起；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”?；诖?，本文將充分結(jié)合酒精濃度檢測的實(shí)際需求，介紹一種智能防酒駕裝置，以交通法規(guī)定的酒駕閾值進(jìn)行精確的檢測，在發(fā)現(xiàn)酒駕的第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警和禁止車輛啟動(dòng)，力求將酒駕扼殺在搖籃之中。

1 總體設(shè)計(jì)

裝置包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)中心處理模塊、信息顯示模塊、報(bào)警模塊等部分，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。裝置工作時(shí)監(jiān)測車內(nèi)各座位酒精濃度含量，司機(jī)位的參數(shù)已按交通法規(guī)定的酒駕及醉駕濃度含量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了閾值設(shè)定，當(dāng)檢測到司機(jī)酒精濃度閾值超標(biāo)后系統(tǒng)會(huì)馬上進(jìn)行聲光報(bào)警,同時(shí)設(shè)備屏幕上會(huì)顯示出相應(yīng)的酒精濃度含量，并且執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作，切斷車輛啟動(dòng)系統(tǒng)電源，禁止車輛啟動(dòng),其他記錄系統(tǒng)分別進(jìn)行了閾值設(shè)定。當(dāng)其中一位或多位酒精濃度含量超過閾值后，設(shè)備屏幕會(huì)進(jìn)行超標(biāo)提示，但不會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)中心處理單元

系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心處理器，負(fù)責(zé)將傳感器采集到數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，經(jīng)處理后控制TFT液晶屏進(jìn)行顯示，當(dāng)采集到的酒精濃度值超過報(bào)警閾值后進(jìn)行聲光報(bào)警；系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將單片機(jī)PO口作為液晶屏數(shù)據(jù)口，P2.0為A/D轉(zhuǎn)換芯片的SDA控制口，P2.1為A/D轉(zhuǎn)換芯片的SCL控制口，P2.2為SD卡的CS控制口，P2.3-P2.7均為液晶屏控制口，P1.0-P1.3為傳感器的數(shù)字量采集控制口，P1.4、P1.5為系統(tǒng)預(yù)留按鍵控制口，P1.6、P1.7分別為SD卡的MISO和SCK控制口，P3.0、P3.1分別為系統(tǒng)的RXD和TXD程序下載口，P3.2為紅外遙控器控制預(yù)留接口，P3.3為SD卡的MOSI控制口，P3.4為聲光報(bào)警控制接口，P3.5-P3.7均為系統(tǒng)功能擴(kuò)展預(yù)留接口，在系統(tǒng)電源管腳上并聯(lián)一個(gè)0.1UF去耦電容，可使系統(tǒng)不受高頻尖刺波形的干擾以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性[2-5]，數(shù)據(jù)處理單元電路原理圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理單元原理圖

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元為整個(gè)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確穩(wěn)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)視著整個(gè)環(huán)境的參數(shù)變化，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換器件，本裝置采用MQ-3酒精傳感器模塊進(jìn)行酒精濃度的監(jiān)測。MQ-3酒精傳感器模塊主要由ZYMQ-3氣體傳感器和LM393電壓比較器構(gòu)成，ZYMMQ-3氣體傳感器負(fù)責(zé)采集氣體中的酒精含量并以電壓值輸出，LM393電壓比較器負(fù)責(zé)將傳感器采集到的電壓值與電位器設(shè)定值比較，并將比較結(jié)果以數(shù)字量輸出。模塊可同時(shí)輸出一路模擬量及一路數(shù)字量信號(hào),調(diào)節(jié)電位器可控制數(shù)字量信號(hào)輸出的閾值，基于傳感器模塊的這一特點(diǎn)，系統(tǒng)在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候加入了硬件抗干擾，可有效濾除系統(tǒng)工作中的干擾數(shù)據(jù)，提高工作效率。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元

系統(tǒng)采用PCF8591進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，該器件通過成熟的I2C總線來保證將傳感器的數(shù)據(jù)及時(shí)穩(wěn)定地傳輸給CPU。其功能包括多路復(fù)用模擬輸入、片上跟蹤和保持功能、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)模擬轉(zhuǎn)換[6-9]。芯片可支持四路模擬量同時(shí)輸入，具體電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元原理圖

2.4 信息顯示單元

本系統(tǒng)以TFT240×320液晶屏作為信息顯示單元，負(fù)責(zé)將CPU處理的各類數(shù)據(jù)顯示，包括酒精濃度顯示，報(bào)警顯示，制作單位顯示，產(chǎn)品名稱顯示，歡迎logo顯示等，設(shè)計(jì)采用TFT彩屏的8位數(shù)據(jù)口顯示，同時(shí)支持SD卡圖片載入功能，顯示效果佳，TFT液晶屏與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

2.5 電源模塊

由于系統(tǒng)酒精監(jiān)測采樣有模擬量輸入及數(shù)字量輸入兩種方式，控制回路電路均為數(shù)字量I/O，故在系統(tǒng)供電單元采用雙電源供電的設(shè)計(jì)方式以實(shí)現(xiàn)模擬電路和數(shù)字電路之間的隔離，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠，同時(shí)系統(tǒng)供電單元的設(shè)計(jì)為適應(yīng)各類車型的不同電壓差異特別做了特殊適應(yīng)處理，不同車系的電瓶供電電壓各不相同，大致分布在12 V～24 V之間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了1個(gè)寬電壓供電輸入電路，可支持DC9～36 V供電，并且為采集電路和控制電路分別進(jìn)行了獨(dú)立供電設(shè)計(jì)，在電路中加入了反接保護(hù)功能，可有效防止使用中的誤操作。主控電路可在DC9～36 V輸入范圍之內(nèi)保持輸出固定在DC 5 V/1 A，電路如圖5所示。酒精采樣電路(模擬電路)使用LM2596-5.0

圖4 信息顯示單元原理圖

圖5 主控電路供電原理圖

圖6 酒精采樣電路供電原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)功能按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的思想，系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)框圖

3.1 主模塊設(shè)計(jì)

主模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能有SD卡的初始化，TFT液晶屏的初始化，酒精濃度采集并送顯示，主駕駛位酒精濃度閾值判斷，副駕駛位酒精濃度閾值判斷，后座位左酒精濃度閾值判斷，后座位右酒精濃度閾值判斷。主模塊的程序流程圖如圖8所示。

圖8 主模塊程序流程圖

3.2 SD卡模塊設(shè)計(jì)

在單片機(jī)上SD卡以SPI模式運(yùn)行，本設(shè)計(jì)在SPI模式下僅需完成SD卡的初始化和讀SD卡操作即可完成功能設(shè)計(jì)，同時(shí)在SD卡程序模塊中包含了程序調(diào)用所需的圖片顯示子函數(shù)，通過特定圖片地址查看軟件獲取放入SD中的圖片地址，程序運(yùn)行中只需調(diào)取相應(yīng)的圖片地址并檢測是否寫到屏幕邊緣即可完成一張圖片的顯示。讀SD卡流程如圖9所示。

圖9 讀SD卡流程圖

3.3 液晶屏顯示模塊設(shè)計(jì)

液晶屏顯示初始化主程序包括控制器初始化子函數(shù)、漢字字模調(diào)取子函數(shù)、字符串轉(zhuǎn)換子函數(shù)以及清屏子函數(shù)等組成。模塊中主要完成了對(duì)液晶顯示屏的初始化，后續(xù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部清屏或者全屏清屏后使用字符串轉(zhuǎn)換子函數(shù)可顯示所需內(nèi)容，液晶屏初始化流程圖如圖10所示。

圖10 液晶屏顯示初始化主程序

3.4 酒精濃度采集模塊設(shè)計(jì)

酒精濃度采集以I2C總線通信方式將傳感器采集到的酒精濃度數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，然后將數(shù)據(jù)處理后送液晶屏指定位置顯示，同時(shí)還結(jié)合MQ-3傳感器模塊的特性，做了抗干擾處理，當(dāng)被采集濃度達(dá)不到傳感器采集的觸發(fā)值時(shí)(觸發(fā)值可由硬件進(jìn)行調(diào)整設(shè)置)，模擬量不進(jìn)行采集工作，酒精濃度采集模塊流程圖如圖11所示。

圖11 酒精濃度采集模塊

3.5 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用了逐級(jí)掃描的方式，在程序設(shè)計(jì)中分別對(duì)4路監(jiān)測子程序進(jìn)行了不同閾值的設(shè)置。1路為主駕駛位，報(bào)警優(yōu)先級(jí)最高，設(shè)置了兩級(jí)報(bào)警，第一級(jí)為>0 mg/100 ml進(jìn)行聲光報(bào)警，第二級(jí)為>20 mg/100 ml進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)液晶屏也會(huì)切換到報(bào)警畫面且報(bào)警聲劇烈急促；2路為副駕駛位，設(shè)置報(bào)警值為>20 mg/100 ml發(fā)出聲光報(bào)警；3、4路位后座位左和右，設(shè)置報(bào)警值為>20 mg/100 ml發(fā)出聲光報(bào)警。

4 測試與分析

4.1 測試樣機(jī)

裝置軟件設(shè)計(jì)完成后，制作樣機(jī)并且進(jìn)行測試，樣機(jī)如圖12所示。

圖12 控制器樣機(jī)

4.2 測試結(jié)果

環(huán)境溫度28 ℃，室內(nèi)面積20 m2；測試工具為FAR-555專用酒精濃度傳感器，測試數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值。測試時(shí)，系統(tǒng)上電運(yùn)行，等待4路傳感器初始化完成后進(jìn)行酒精濃度檢測，同時(shí)使用FAR-555專用酒精濃度傳感器進(jìn)行酒精濃度檢測；測試中采用濃度為55°的某品牌酒，倒入少許至測試容器中，靠近傳感器進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測距離固定的情況下，F(xiàn)AR-555檢測到酒精濃度為20 mg/100 ml時(shí)，系統(tǒng)1路傳感器檢測到為22 mg/100 ml,2路傳感器檢測到為23 mg/100 ml, 3路傳感器檢測到為24 mg/100 ml, 4路傳感器檢測到為32 mg/100 ml,此時(shí)測試出傳感器有誤差，故在程序中加入了算法補(bǔ)償，將傳感器檢測到的值進(jìn)行向下補(bǔ)償從而達(dá)到更加接近專用酒精濃度傳感器的檢測值。然后進(jìn)行10組數(shù)據(jù)測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)測試表 (mg/100 ml)

續(xù)表1 (mg/100 ml)

分析測試結(jié)果，最大絕對(duì)誤差3 mg/100 ml，最小絕對(duì)誤差-2 mg/100 ml，能夠滿足使用要求；在數(shù)據(jù)超限時(shí)，第1路聲光報(bào)警及顯示警示界面，2、3、4路聲光報(bào)警，裝置工作正常。

5 結(jié)語

在日常駕車中對(duì)酒精濃度監(jiān)測的要求，主要是保證酒精濃度在一定溫度范圍內(nèi)被及時(shí)的監(jiān)測出來并能準(zhǔn)確而醒目地報(bào)警。本文以單片機(jī)為控制核心，分析智能防酒駕裝置的設(shè)計(jì)過程及實(shí)現(xiàn)方法，并且進(jìn)行了樣機(jī)測試。測試結(jié)果表明，該裝置的工作穩(wěn)定性高、沒有誤報(bào)警、測量誤差小、性價(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)，達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。