基于51單片機(jī)的智能酒駕預(yù)防系統(tǒng)

徐昊元，曹誠(chéng)偉，舒煜喬，周家樂，史志鵬

（東南大學(xué) 成賢學(xué)院電子信息工程專業(yè)，江蘇南京，210000）

0 引言

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展，人民的生活水平也不斷提高，家家戶戶幾乎都有能力購(gòu)買汽車，但同時(shí)也出現(xiàn)了許多的酒后駕駛的情況，導(dǎo)致了許多的人生財(cái)產(chǎn)損失，雖然國(guó)家一直在提倡尋找代駕，但是這也會(huì)耗費(fèi)許多的人力物力資源，并且會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生一定的影響，為了減少社會(huì)壓力，我們思考并設(shè)計(jì)一種自主檢測(cè)的酒精檢測(cè)系統(tǒng)。本項(xiàng)目能夠在酒精檢測(cè)器的基礎(chǔ)上，使用先進(jìn)的技術(shù)手段來讓酒精檢測(cè)器的傳輸更加靈敏，能夠直接安裝于汽車上使用，讓駕駛員對(duì)自身的檢測(cè)更加方便，如果處于酒精濃度超標(biāo)的酒駕狀態(tài)則會(huì)進(jìn)行報(bào)警并提醒其家人等，減少事故，安全出行，同時(shí)也提高了酒駕檢測(cè)的效率。

1 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的主控芯片我們選用了STC89C52單片機(jī)，系統(tǒng)擁有以下幾個(gè)主要模塊：STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部控制模塊、MQ-3酒精濃度傳感器模塊，A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、蜂鳴器模塊。系統(tǒng)能夠?qū)y(cè)量出的酒精濃度數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換后，得到需要的數(shù)據(jù)，再將其提供給單片機(jī)進(jìn)行下一步的處理，最后，在LCD顯示屏上顯示出此時(shí)的酒精濃度。若酒精濃度超過了我們預(yù)先設(shè)置的閾值，則會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)，并且采取一些及時(shí)的手段提醒聯(lián)系人，及時(shí)制止了駕駛員酒駕。圖1為該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 原理設(shè)計(jì)圖

■2.1 單片機(jī)控制模塊

STC89C52單片機(jī)是一個(gè)高性能的COMOS8微型處理器。該器件采用了高密度、數(shù)據(jù)不易丟失的存儲(chǔ)器制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一些指令集也能夠有最基本的兼容。

本系統(tǒng)選用的STC89C52單片機(jī)，由于其內(nèi)部缺少時(shí)鐘振蕩器，因此選擇外接11.0592MHz的晶振來提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位電路中，R3和C3的作用是上電自復(fù)位，目的是讓單片機(jī)上電以后從頭開始運(yùn)行，同時(shí)將一個(gè)無鎖按鍵開關(guān)接到單片機(jī)9腳，按下按鍵會(huì)給單片機(jī)9腳提供一個(gè)高電平，達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果。

■2.2 酒精傳感器檢測(cè)模塊

MQ-3模塊特點(diǎn)：（1）具有信號(hào)輸出指示。（2）雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）（3）TTL輸出有效信號(hào)為低電平。當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接接單片機(jī)。（4）模擬電壓輸出0～5V，酒精濃度越高，電壓越高。

圖3 為MQ-3 酒精傳感器實(shí)物圖和原理圖。

圖3 MQ-3 酒精傳感器實(shí)物圖和原理圖

MQ-3酒精傳感器工作原理：當(dāng)酒精濃度增大時(shí)，傳感器內(nèi)阻降低。由分壓原理得，Vout增大，即圖4中比較器2腳上的電壓值增大，當(dāng)引腳2點(diǎn)位高于引腳3點(diǎn)位時(shí)（滑動(dòng)變阻器Rp可調(diào)節(jié)），引腳1輸出低電平，當(dāng)沒有信號(hào)時(shí)，傳感器輸出與電源電壓相等的高電平。

圖4 MQ-3酒精傳感器內(nèi)部電路圖

■2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)主要采用的是一個(gè)八位分辨率的ADC0832轉(zhuǎn)換器，其能夠進(jìn)行雙通道轉(zhuǎn)換，并且輸入與輸出電平能夠與TTL相互兼容，該轉(zhuǎn)換器接入的電源為5V，可以保證輸入電壓小于5V，而且消耗功率低，其工作的頻率才250kHz，非常適合在本設(shè)備中進(jìn)行使用。

當(dāng)CS輸入端為高電平時(shí)，ADC0832不工作，此時(shí)芯片被禁用，只有CS使能端置于低電平，并且保持低電平，才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在芯片開始轉(zhuǎn)換的同時(shí)，芯片時(shí)鐘輸入端CLK將會(huì)收到處理器部分傳來的時(shí)鐘脈沖，接著使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)的表示方法為：在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平。在第2和第3個(gè)脈沖下沉之前，DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，當(dāng)此2位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)CH0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。

圖5 ADC0832 轉(zhuǎn)換器實(shí)物圖和原理圖

■2.4 蜂鳴器模塊

本系統(tǒng)中主要選用低電平觸發(fā)的有源蜂鳴器模塊模擬繼電器，在供電裝置中，能夠控制電源。如果酒精濃度在可接受的范圍內(nèi)，則蜂鳴器不會(huì)報(bào)警。在汽車穩(wěn)定狀態(tài)下，假如車內(nèi)的酒精濃度過高，蜂鳴器會(huì)響起，我們可將此信號(hào)視作繼電器的閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)無法進(jìn)行正常啟動(dòng)，車輛無法進(jìn)行正常啟動(dòng)。蜂鳴器模塊特點(diǎn)如下：S8550三極管驅(qū)動(dòng)模塊；工作電壓為3.3～5V；I/O端口輸入低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲。

圖6 蜂鳴器電路原理圖

■2.5 液晶屏顯示模塊

該系統(tǒng)采用的液晶顯示屏為L(zhǎng)CD1602，實(shí)物圖如圖7所示。主要參數(shù)：顯示容量：16×2個(gè)字符；芯片工作電壓：4.5～5.5V；工作電流：2.0mA(5.0V)；模塊最佳工作電壓：5.0V；字符尺寸：2.95mm×4.35mm(W×H)。

圖7 1602字符型液晶顯示器實(shí)物圖

LCD1602具體接線如下：引腳1接地，引腳2接5V正電源，引腳3為顯示屏對(duì)比度調(diào)整端，使用10k的可調(diào)電阻來調(diào)整對(duì)比度，當(dāng)RS高電平時(shí)，引腳4選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時(shí)選擇指令寄存器，引腳5中R/W為讀寫信號(hào)線，高電平讀，低電平寫，引腳6中EN使能端下降沿觸發(fā)。7～14腳分別與單片機(jī)的P0.0～P0.7相連，引腳15接背光源正極，引腳16接背光源負(fù)極。

圖8 液晶顯示屏電路原理圖

液晶顯示屏模塊流程圖如圖9所示。

圖9 液晶顯示屏電路流程圖

■2.6 短信通知模塊

該系統(tǒng)中采用的短信通知模塊為SIM900A，是一個(gè)基本的GSM與GPRS模塊，能夠進(jìn)行基本的SMT的封裝。其工作頻率是900/1800MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的輸入輸出與傳輸特性，能夠適用于許多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和需求。模塊實(shí)物圖如圖10所示。

圖10 SIM900A模塊實(shí)物圖

SIM900A芯片主要特性：供電電壓：3.4V～4.5V；頻段：EGSM 900和DCS 1800；工作溫度范圍：-30℃～+80℃。

圖11 SIM900A模塊原理圖

SIM900A具體接線如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)的 P3.0 管腳連接SIM900A 5VT，單片機(jī)的 P3.1 管腳連接SIM900A 5VR，直流 5V 連接SIM900A的VCC_MCU端口，SIM900A 的 GND 連接到單片機(jī)的 GND 上。

圖12 SIM900A模塊接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖13所示。

圖13 軟件設(shè)計(jì)流程圖

■3.1 Gsm通信模塊代碼分析

此部分主要運(yùn)用AT指令來控制模塊。

AT+CSCS="UCS2" 表示設(shè)置為16位通用8字節(jié)倍數(shù)編碼字符集；

AT+CMGF=1 表示設(shè)置短信為文本格式；

AT+CSMP=17,167,0,25 表示在提交消息時(shí)，短消息服務(wù)中心收到消息起的有效時(shí)間為24，協(xié)議標(biāo)識(shí)為“0”，編碼方式為UNICODE；

AT+CMGS="*************"用來預(yù)先設(shè)置接收者的手機(jī)號(hào)碼，*******代表該手機(jī)號(hào)Unicode碼；

Uart1Sends("91527CBE62A58B66");為中文短信內(nèi)容的Unicode碼。

圖14程序用來轉(zhuǎn)換漢字與Unicode碼。

圖14

■3.2 按鍵模塊代碼分析

//按鍵+-

if(anjianjia==0)

判斷若按鍵加或按鍵減被按下，設(shè)定值會(huì)加一或減一。

■3.3 LCD液晶顯示模塊代碼分析

顯示設(shè)定的報(bào)警閾值：

顯示當(dāng)前所采集的酒精濃度：

//顯示酒精傳感器所采集的濃度數(shù)值+顯示設(shè)定酒精報(bào)警設(shè)定值

■3.4 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊部分代碼分析

wordl[4]通過采集來的酒精數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到。

4 系統(tǒng)測(cè)試

（1）在本系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的功能，我們將模擬一個(gè)符合酒駕標(biāo)準(zhǔn)的駕駛者進(jìn)入某個(gè)汽車駕駛車廂的情況，即要讓駕駛者的血液中酒精濃度達(dá)到或超過20mg/100ml。為方便演示，我們將汽車車廂粗定為長(zhǎng)29cm，寬26cm，高14cm的長(zhǎng)方體密閉空間，計(jì)算體積為10556cm3。酒精模擬方面，選擇使用75%酒精消毒液（乙醇含量75%±5%），將其濕潤(rùn)在紙巾上，通過擠壓泵頭次數(shù)的不同來模擬多種濃度的酒精含量，通過市面上已有的呼氣式酒精檢測(cè)儀來判斷此時(shí)的酒精含量具體數(shù)值，從而決定在編寫代碼時(shí)所設(shè)定的酒精報(bào)警閾值。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：報(bào)警閾值設(shè)定為50%，當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，血液酒精含量為25mg/100ml。為避免閾值設(shè)定過高，導(dǎo)致駕駛員血液酒精濃度已達(dá)醉駕標(biāo)準(zhǔn)而系統(tǒng)沒有報(bào)警的情況。將閾值逐次降低，為了最接近酒駕標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到車廂密閉性等誤差，于是選擇最接近并小于20mg/100ml的數(shù)值，這樣做的目的也是為了避免上述的情況，當(dāng)報(bào)警閾值設(shè)定在小于40%時(shí)，此時(shí)血液酒精含量雖小于酒駕標(biāo)準(zhǔn)，但由于設(shè)定閾值過低，導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)警。

得出結(jié)論：酒精報(bào)警閾值設(shè)定為40%。

圖15 基于51單片機(jī)的智能防酒駕系統(tǒng)實(shí)物圖

（2）為了能夠真正使用于現(xiàn)實(shí)情況，我們?cè)谂c小車連接的電路中，加上了一個(gè)變壓器，將電壓從12V變?yōu)?V以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)汽車中的電路。

圖16 電源模塊實(shí)物圖

5 結(jié)束語

在該系統(tǒng)測(cè)試中，我們得到測(cè)量時(shí)的酒精濃度，通過將此時(shí)酒精濃度與提前設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，能夠初步判斷駕駛者的飲酒狀態(tài)。我們將該系統(tǒng)放于模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，已經(jīng)基本滿足我們所預(yù)期的功能，若裝備在真實(shí)車輛上，則還需要添加繼電器改變電平。這個(gè)系統(tǒng)能夠一定程度上減少酒后駕駛的狀況，并且一定程度上減少交通事故可能發(fā)生的概率，減少酒駕可能帶來的危害。如果能將該項(xiàng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)得更為成熟，則能夠?yàn)榘踩鲂刑峁└嗟谋Ｕ?，具有更大的社?huì)和實(shí)際意義。