基于Arduino的車輛防酒駕系統(tǒng)

賀煥利，王宇峰，章麗

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

WHO 最新道路安全報(bào)告顯示，每年約135 萬人在交通事故中死亡,其中約60%的交通事故是酒后駕駛造成的，且呈上升趨勢。［1］究其原因，主要是駕駛員對酒駕危害意識淡薄或心存僥幸。［2］目前最常見的酒精濃度檢測方式是呼氣式酒精濃度檢測，但只能在某些路段進(jìn)行，無法全方位覆蓋。文中基于Arduino 單片機(jī)研發(fā)了智能化車輛防酒駕系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的酒駕呼吸分析儀，操作便捷，強(qiáng)調(diào)駕駛員的主動性意識，成本低廉。

1 整體方案

系統(tǒng)通過酒精濃度傳感器MQ-3 檢測駕駛員呼氣中酒精濃度，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而作出相應(yīng)判斷。

閾值依據(jù)GB19522 設(shè)定，駕駛員血液酒精濃度小于20 mg·（100 mL）-1時屬于“正常”，血液酒精濃度為20～80 mg·（100 mL）-1時屬于“酒后駕車”，血液酒精濃度不小于80 mg·（100 mL）-1時屬于“醉酒駕車”。人體血液酒精濃度與呼氣酒精濃度近似呈線性關(guān)系：［3］

式中：BAC為人體血液酒精濃度；Br為呼氣酒精濃度；K通常取2200。

如果測定數(shù)值大于相應(yīng)閾值上限值，判斷駕駛員是飲酒駕車或醉酒駕車，此時報(bào)警器報(bào)警、報(bào)警燈閃爍，并發(fā)出語音提示“請勿酒后駕車”，液晶顯示屏顯示酒精濃度的具體數(shù)值?？傮w方案流程見圖1。

圖1 整體方案流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵硬件選型

1）單片機(jī) 采用Arduino單片機(jī)，了解各端口的功能和C語言的基礎(chǔ)知識編寫相應(yīng)程序。Arduino 是開源平臺，在相關(guān)網(wǎng)站、論壇、博客等可搜索到需要的資料，提高作品創(chuàng)作的效率。相對于飛思卡爾等單片機(jī)，Arduino學(xué)習(xí)和創(chuàng)作成本低。

2）酒精傳感器 采用乙醇傳感器MQ-3，相比電化學(xué)型和其他半導(dǎo)體型酒精傳感器，MQ-3對酒精有較高的靈敏度，能承受汽油、煙霧和水汽的干擾，具有壽命長、成本低、驅(qū)動電路簡單等特點(diǎn)。［4］

3）液晶顯示器 考慮功能特點(diǎn)及性價比，選擇LCD 1602 液晶顯示器。系統(tǒng)啟動后，LCD1602模塊顯示“Alcohol Detector Circuit Digest”，表示系統(tǒng)正在初始化。LCD1602 實(shí)時顯示空氣中的酒精濃度，Br小于0.009 09 mg·L-1時顯示“Normal”，同時藍(lán)色LED 警示燈亮，表示駕駛員處于正常狀態(tài)；Br小于0.036 36 mg·L-1但不小于0.009 09 mg·L-1時顯示“Drunk”，同時黃色LED 警示燈亮，表示駕駛員處于酒駕狀態(tài)；Br不小于0.036 36 mg·L-1時顯示“Dangerous”，同時紅色警示燈亮，表示駕駛員處于醉駕狀態(tài)。

2.2 電路設(shè)計(jì)

1）液晶顯示模塊 1602LCD 有16 個引腳，可用4 位接線法和8 位接線法。系統(tǒng)采用Arduino UNO R3 的引腳數(shù)較少，因此選用4 位接線法［5］。1602 LCD與Arduino連接電路見圖2a，1602 LCD的VO接入1個電位器，控制液晶顯示屏的顯示亮度。

2）酒精濃度采集模塊 酒精傳感器檢測電路由MQ-3、A/D轉(zhuǎn)換器和電壓比較電路組成，用于判斷酒精濃度是否超過閾值。VCC 端提供5 V 工作電壓；采用LM393 作為電壓比較器，當(dāng)AO 電壓高于引腳2 電壓時，引腳1 輸出高電平，DO 輸出低電平，LED燈亮；當(dāng)AO電壓低于引腳電壓2時，引腳1輸出低電平，DO輸出高電平，LED不亮。酒精傳感器電路如圖2b所示。

3）語音報(bào)警模塊 當(dāng)酒精傳感器檢測到Br超過閾值時，語音模塊發(fā)出“為了您的出行安全，請勿酒后駕駛”的提醒；反之語音模塊處于待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)采用的語音模塊為ISD 1820，具有錄放電路的基本特點(diǎn)，取樣率和錄放時間可外部調(diào)節(jié)，單段錄放音操作簡單，可重復(fù)錄音1萬次，能耗低，可自動進(jìn)入節(jié)電模式，［6］突發(fā)斷電時保存信息時間長，電路如圖2c 所示。除語音報(bào)警和液晶顯示外，檢測到Br正常時，藍(lán)色LED 燈亮；檢測到Br在酒后駕駛范圍內(nèi)時，黃色LED 燈亮；檢測到Br屬于醉酒駕駛范圍內(nèi)，紅色LED燈亮。LED接線如圖2d所示。

4）復(fù)位電路 當(dāng)駕駛員需要重復(fù)進(jìn)行酒精濃度檢測時，按下復(fù)位鍵，此時系統(tǒng)會將酒精檢測裝置測量的數(shù)據(jù)調(diào)整到0刻度線，同時LCD液晶顯示屏顯示“0 mg·L-1”，20 s 后重新開始檢測。復(fù)位電路如圖2e所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Arduino IDE 進(jìn)行模塊化編程設(shè)計(jì)。Arduino 集成開發(fā)環(huán)境即Arduino IDE，可將程序燒錄到所連接的開發(fā)板上，與開發(fā)板進(jìn)行信息通訊。Arduino IDE編寫的代碼以“.ino”格式保存，程序運(yùn)行出現(xiàn)錯誤時，消息區(qū)將顯示提示信息。軟件界面右下角會顯示當(dāng)前選擇的開發(fā)板和串口信息。Arduino IDE的主要特點(diǎn)是開源電路圖設(shè)計(jì)，支持ISP在線燒錄，支持多種交互程序，可方便與各種電子元件如傳感器連接。

MQ-3 初始化完成后開始采集空氣中酒精濃度數(shù)據(jù)，將采集到的信號傳輸?shù)紸rduino 中進(jìn)行處理，計(jì)算得出酒精濃度并顯示在LCD1602 顯示屏上。酒精濃度采集流程如圖3所示，主程序如下：

圖3 酒精濃度采集流程圖

4 功能測試及結(jié)果分析

車輛防酒駕系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。測試時，使用USB端口給Arduino單片機(jī)供電，通電后等待20 s，待傳感器的輸出電壓穩(wěn)定后進(jìn)行濃度測試。測試得到清潔空氣中酒精含量為0.004 mg·L-1，對應(yīng)串口監(jiān)視器的輸出電壓為0.74 V。因此在設(shè)定閾值時應(yīng)加上潔凈空氣中的酒精濃度，對采集的酒精濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)已知數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，校準(zhǔn)后閾值為0.013 09 mg·L-1和0.040 36 mg·L-1。

圖4 車輛防酒駕系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)論

文中完成了基于Arduino的車輛防酒駕系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及功能測試，結(jié)果表明系統(tǒng)能完成酒精濃度信息的實(shí)時采集、語音報(bào)警、液晶顯示、LED指示燈報(bào)警等，測試性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確性高。