一款基于單片機(jī)的防酒駕設(shè)計(jì)
——“嫑酒駕”

任琦，馮凱聲，朱曉駿

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 引言

隨著社會科技發(fā)展，越來越多的家庭企業(yè)開始使用汽車作為代步運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ?，隨之而來的也是越來越多的交通事故，酒后駕車是造成事故的重要因素之一，為了有效預(yù)防醉酒駕駛，我們研究設(shè)計(jì)了一款單片機(jī)與車鑰匙相結(jié)合的設(shè)備，通過禁止使用車鑰匙的方式從源頭上解決了駕駛?cè)孙嬀岂{車的風(fēng)險，確保了行車安全，其特色在于輕快小巧，造價成本低，安裝簡便，且出故障不會對車輛造成任何損傷。可以直接在任何汽車售后點(diǎn)進(jìn)行更新和維修[1]，防水防塵，檢測時間快，結(jié)果誤差小，是一款真正滿足日常方便使用的裝置。

1 “嫑酒駕”的設(shè)計(jì)

■1.1 “嫑酒駕”酒精檢測的設(shè)計(jì)思路及分析

“嫑酒駕”使用時第一步需要對使用者進(jìn)行身份驗(yàn)證，這個步驟既可以保護(hù)車輛安全，減少車輛被盜用的風(fēng)險，也可以解決“嫑酒駕”使用過程中的人為漏洞，例如一位喝完酒即將使用嫑酒駕的人員，讓同行的未喝酒的人員來使用“嫑酒駕”，當(dāng)成功啟動車輛后，卻自己進(jìn)行車輛的控制駕駛?！皨浘岂{”在確認(rèn)了使用者的身份之后，會對其進(jìn)行一系列的評估，以確定其是否屬于汽車駕駛員。若第一種評估未獲得通過，則需要重新開始第二步的評估，即對其進(jìn)行酒精含量的檢測。目前，可以采取的酒精檢測技術(shù)包括：通過高錳酸鉀溶液對汽油的抗氧化，以及通過氣相進(jìn)行流動相的色譜技術(shù)，以及通過呼出的汽油在催化劑的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖己退募夹g(shù)，以及通過汽油的揮發(fā)性物質(zhì)，以及汽油的燃燒性物質(zhì)的技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，將化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?，并以此?jì)算其輸入的電壓，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的測試；此外，使用氧化錫半導(dǎo)體來作為感應(yīng)器，可以檢測其中的物質(zhì)濃度；而對于酒后的紅外線，可以根據(jù)其吸收的波長，以及酒精分子的吸收情況，進(jìn)行準(zhǔn)確的測試；然而，由于某些測試技術(shù)的高昂、難以攜帶、復(fù)雜、不可靠、耗費(fèi)大量的資源，因此，我們最終決定使用半導(dǎo)體酒精傳感器，以此更加準(zhǔn)確地測試酒精的濃度。這種產(chǎn)品具有極強(qiáng)的酒精檢測能力，具有較長的使用壽命，并且具有較低的生產(chǎn)和維護(hù)費(fèi)用，且其結(jié)構(gòu)緊湊。便于攜帶，對其他氣體有抗干擾性，穩(wěn)定快等等，完成酒精檢測后，“嫑酒駕”需要判斷使用者酒精含量是否屬于安全駕駛范圍之內(nèi)，判斷有2 種結(jié)果，第一種判斷成功，“嫑酒駕”通過機(jī)械裝置彈出車輛鑰匙，使用者成功開啟車輛，第二種判斷不成功，使用者無法使用車輛鑰匙，無法啟動車輛，且“嫑酒駕”會發(fā)出警示[2]，以提醒駕駛者注意安全，切勿酒后駕車。

■1.2 “嫑酒駕”的工作過程

當(dāng)車輛駕駛?cè)藛T使用“嫑酒駕”啟動車輛之前，為確保即將使用車輛的人員為駕駛者，首先需要對 “嫑酒駕”進(jìn)行指紋識別驗(yàn)證，如若指紋驗(yàn)證成功，則 “嫑酒駕”繼續(xù)進(jìn)行下一步的酒精含量檢測，如若檢測出的酒精含量處安全駕駛的范圍之內(nèi)，“嫑酒駕”將通過電機(jī)機(jī)械裝置緩慢伸出車輛鑰匙，車輛使用人員可正常啟動車輛，如若檢測出的酒精含量不屬于安全駕駛的范圍之內(nèi)，那么“嫑酒駕”將發(fā)出警報(bào)以提醒車輛使用人員切勿酒后駕車，且無法使用車輛鑰匙，無法成功啟動車輛，確保了駕駛?cè)藛T的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 “嫑酒駕”的開發(fā)

■2.1 開發(fā)

Keil μVision4 是一款強(qiáng)大而又易用的單片機(jī)開發(fā)環(huán)境軟件，它具有編輯、編譯、仿真等多種操作功能，還提供了豐富的庫管理、宏定義、宏匯編、C 語言編譯器、連接器和仿真調(diào)試器，使得開發(fā)過程變得更加便捷，而且可以在一個統(tǒng)一的環(huán)境中將所有功能集成，此外，keil μvision4 還能夠完美支持最新的ARM 芯片，并且還引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，使得開發(fā)過程更加高效、更加便捷。軟件界面簡潔明了，按照順序排列，功能清晰易懂，使用起來十分便捷。

■2.2 驅(qū)動

CH340 驅(qū)動實(shí)際概況是一個USВ 總線的轉(zhuǎn)接芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)多種端口的轉(zhuǎn)換，可以有效地仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，也可以利用這種驅(qū)動對串口進(jìn)行相應(yīng)的操作，來實(shí)現(xiàn)很大一部分本來的串口應(yīng)用程序沒有安全兼容的功能

■2.3 燒錄

STC-ICP 是一款強(qiáng)大而卓越的STC 系列單片機(jī)燒錄軟件工具箱，它可以為STC 系列單片機(jī)提供完善的程序下載功能，充分發(fā)揮C51 技術(shù)的優(yōu)勢，同時也能夠更加準(zhǔn)確地反映STC 15 單片機(jī)的核心特性，擁有豐富的片外擴(kuò)展應(yīng)用和片內(nèi)資源，使得用戶能夠輕松掌握燒錄技術(shù)，從而提高燒錄效率和質(zhì)量。

3 嫑酒駕的功能模塊

■3.1 指紋識別模塊

通過指紋識別模塊，我們能夠快速準(zhǔn)確地獲得個人身份的識別結(jié)果。該模塊由三個方面構(gòu)成：指紋識別收集、特點(diǎn)獲取，以及特點(diǎn)對應(yīng)。首先，我們需要將個人身份的識別結(jié)果記錄并存儲，以備日后查詢。其次，我們需要將個人身份識別結(jié)果存儲為一個文件，以供日后查閱。最后，我們需要根據(jù)個人身份識別結(jié)果，通過模塊的識別功能，快速準(zhǔn)確地獲得個人身份的識別結(jié)果。在此，我們采用了一項(xiàng)新的技術(shù)，即在兩個預(yù)先錄制的指紋圖像中，以及它們的特征值，進(jìn)行對比檢測。該技術(shù)既可以用于兩個預(yù)先錄制的圖像的對比，又可以用于識別它們的差異。在此，我們使用com 串口向單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的操作，一旦單片機(jī)被允許，就會立即處理指紋圖像，然后根據(jù)處理結(jié)果轉(zhuǎn)換為格式，以便更好地識別兩個預(yù)先錄制的圖像。將經(jīng)過處理的指紋圖像發(fā)送至單片機(jī)，該單片機(jī)將根據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序，實(shí)現(xiàn)大量的圖像識別、圖像處理以及圖像處理與圖像處理之間的對比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)圖像中的圖像為用戶時，該單片機(jī)將立刻發(fā)出警報(bào)，并將其作為酒精檢測的依據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的危險。

AS608 光學(xué)指紋模組的工作原理是利用光的反射和折射，將光照射到三棱鏡上，使得光線在指紋表面產(chǎn)生因?yàn)橹讣y表面高低程度的不同而造成光線折射出來的不同角度，這樣折射出的不同光線角度使CMOS 或者CCD 的光學(xué)儀器可以捕捉到不一樣的指紋圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)指紋的準(zhǔn)確采集。

圖1 指紋識別邏輯圖

圖2 “嫑酒駕”原理圖

■3.2 MQ-3 酒精傳感器

MQ-3 型酒精傳感器由一系列小型元件組成，包括氧化鋁陶瓷管、氧化鋅敏感層、檢測引腳電極和溫度加熱器。敏感元件通常被固定在塑料或不銹鋼制成的容器中，溫度加熱器則為其提供必要的溫度環(huán)境，以保證其正常工作。通常，這些氣體敏感元件總共有六個，可以用來檢測酒精濃度。引腳用來進(jìn)行輸出，這6 個引腳當(dāng)中有四個引腳的作用是信號的輸出，另外兩個引腳的作用是提供傳感器加熱溫度所需要的電流，MQ-3 型酒精傳感器在工作時，氣體敏感傳感器加熱溫度升高電壓使用交流或者直流電5V 都可以，在氣體敏感傳感器受熱之后，溫度加熱室環(huán)境內(nèi)的可燃?xì)怏w快速增多，氣體敏感傳感器的內(nèi)部電阻快速下降，利用氣體敏感傳感器的這一特性然后結(jié)合分壓原理我們可以得出輸出電壓會一點(diǎn)點(diǎn)地增大的結(jié)論，一旦輸出電壓的值超過閾值就會產(chǎn)生相關(guān)操作，經(jīng)過一系列處理后的檢測信號由電阻值轉(zhuǎn)變成電壓值，這樣就可用于后續(xù)電路進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換和處理，氣體敏感傳感器阻值變化率與酒精濃度，為了準(zhǔn)確測量酒精濃度，外界溫度變化是非常重要的，因此，為了達(dá)到最小的誤差，我們需要找到一個合適的溫度，一般來說，預(yù)熱5 分鐘，這樣可以使半導(dǎo)體顆粒表面的吸附發(fā)生變化，從而影響材料載流子的濃度。此外，通過調(diào)節(jié)MQ3 酒精傳感器的電導(dǎo)率，我們可以調(diào)整感應(yīng)器的輸出電壓，從而達(dá)到最佳的測量效果。檢測乙醇的含量。這些感應(yīng)器具備較高的敏感度，并且具備集成電路簡潔、操作方便、性能優(yōu)越、穩(wěn)定性良好的特性。它能夠?qū)鈶B(tài)物質(zhì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓信息，這是一個非常有效的技術(shù)。

3.3 A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換

單片機(jī)運(yùn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)用的是高低電平（0/1 的組合），所以就沒有可變化模擬量電壓輸出，這就涉及到了在外圍電路需要加上一個模擬和數(shù)字量轉(zhuǎn)換的模塊，就是把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量且轉(zhuǎn)化的數(shù)字量相對于模擬量的失真要小。因此可以將數(shù)字量比作一個個分區(qū)域的信息儲存系統(tǒng)，模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)盡可能保留其中所包含的信息，以確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。轉(zhuǎn)換的方式就是把數(shù)字量分為不同塊，把它以數(shù)字的形式轉(zhuǎn)換到數(shù)字量中。比如數(shù)字量有六位（000000-111111），那么我們就把模擬量平均分為64 份，A/D 轉(zhuǎn)換可以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與模擬量相匹配的信息，然而，這種方法僅僅是基礎(chǔ)，實(shí)際的A/D 轉(zhuǎn)換可以通過三個主要步驟：采樣保留、編碼以及量化實(shí)現(xiàn)。采樣所表示的量一般是電壓，通過在指定的采樣保持時間內(nèi)，將采集的電壓以數(shù)值的形式表示，然后以特定的二進(jìn)制編碼格式將其轉(zhuǎn)換，最終可以獲取所需的信息。模擬量電壓相對應(yīng)的數(shù)字信號。

■3.4 STC89C51 單片機(jī)

51 單片機(jī)是一款可以把多種獨(dú)立功能集合在一起的電路芯片，他是一種中央處理器CPU，可以使用在一個芯片上集合有1000 個以上的集成電路技術(shù)把能夠很快就處理了的大量用戶數(shù)據(jù)，隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、各種I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)時器等功能（可能還包括可以驅(qū)動顯示的電路、PWM脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換模塊等電路）集成到一塊硅片上之后組成的一個小且完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

■3.5 電機(jī)驅(qū)動裝置

ULN2003A 電路具有一個7 路反向電路，它的輸入端I/O 處的電平會隨著時間的推移而變化，在高電平時，它的輸出端會變得較高，而在低電平時，它的輸出端會變得較高。此外，ULN2003A 的輸出會產(chǎn)生一個電路，它的電路中的電路會產(chǎn)生一個電路，并且在電路中的電平會隨著時間的推移而變化。這個電路能夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

4 軟件設(shè)計(jì)部分

當(dāng) “嫑酒駕”被使用時，嫑酒駕會獲得指紋圖像，判斷接收到的確認(rèn)碼，等于0 時，指紋獲取成功，然后在已有數(shù)據(jù)中搜索錄入的指紋信息，當(dāng)尋到了已錄入的指紋信息，2種指紋信息進(jìn)行對比是否是使用者的指紋信息，如果對比不通過則返回初始狀態(tài)，無法進(jìn)行下一步，通過了進(jìn)行下一步的酒精檢測，當(dāng)檢測到酒精的濃度超過設(shè)定值時，經(jīng)過一段延時，以確保檢測的酒精濃度確實(shí)超過了設(shè)定值，酒精檢測不通過無法開鎖，返回初始狀態(tài)，酒精檢測通過了，舵機(jī)解除鎖定狀態(tài)。

主程序如下：

圖3 程序流程圖

5 結(jié)束語

綜上所述，嫑酒駕具有極大的發(fā)展前景和實(shí)際應(yīng)用效益，如果加以深入研究和大力發(fā)展，使之能夠被應(yīng)用于酒駕預(yù)防工作中，根據(jù)其工作原理，可以有效減少因?yàn)榫岂{醉駕造成的交通事故，為駕駛員的行車安全和生命健康財(cái)產(chǎn)提供一份保障。