基于單片機(jī)的車內(nèi)酒精自檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙志崢 張?chǎng)? 李雪穎 李功凱 夏征強(qiáng)

收稿日期：2023-08-22

基金項(xiàng)目：2022年度黃河交通學(xué)院一流課程建設(shè)項(xiàng)目（HHJTXY-2022ylkc12）；河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心科研項(xiàng)目（3118210370）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.015

摘? 要：對(duì)導(dǎo)致交通事故的原因進(jìn)行了研究，酒駕已成為交通事故高發(fā)的主要原因之一。酒精濃度的檢測(cè)是評(píng)定酒駕的重要環(huán)節(jié)，為提醒駕駛員避免酒駕，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的車內(nèi)酒精自檢系統(tǒng)，通過(guò)MQ-3酒精傳感器對(duì)車內(nèi)的酒精濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳送到STC89C52RC單片機(jī)，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD顯示屏進(jìn)行顯示。若檢測(cè)的氣體中酒精濃度超過(guò)預(yù)定的閾值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，警報(bào)可以引起注意。與此同時(shí)，繼電器控制的電路也會(huì)使汽車進(jìn)行制動(dòng)，使汽車無(wú)法啟動(dòng)。該系統(tǒng)體積小、攜帶方便，并具有一定的預(yù)防酒駕的功能，保證交通安全。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；MQ-3；LCD顯示；聲光報(bào)警

中圖分類號(hào)：TN709；TP273? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）05-0068-05

Design of Alcohol Self-checking System in Car Based on Single-Chip Microcomputer

ZHAO Zhizheng1，2， ZHANG Xin1，2， LI Xueying1，2， LI Gongkai3， XIA Zhengqiang1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo? 454950， China; 2.Henan Intelligent Manufacturing Technology and Equipment Engineering Technology Research Center， Jiaozuo? 454950， China; 3.Jiaozuo Tax Service， State Taxation Administration， Jiaozuo? 454000， China）

Abstract： The cause of traffic accidents has been studied， and drunk driving has become one of the main reasons for the high incidence of traffic accidents. The detection of alcohol concentration is an important part of assessing drunk driving. In order to remind drivers to avoid drunk driving， a alcohol self-checking system in car based on Single-Chip Microcomputer is designed. The alcohol concentration in the car is monitored in real time through the MQ-3 alcohol sensor， and the collected analog signal is converted to STC89C52RC Single-Chip Microcomputer by A/D conversion. The processed data are displayed through the LCD display. If the alcohol concentration in the gas exceeds the threshold， the system will send out a sound and light alarm which can attract attention， and at the same time， the circuit controled by relay will brake the car so that the car cannot be started. The system is small in size， easy to carry， and has a certain function of preventing drunk driving to ensure traffic safety.

Keywords： Single-Chip Microcomputer; MQ-3; LCD display; sound and light alarm

0? 引? 言

隨著當(dāng)今社會(huì)信息化的迅速發(fā)展和人們的生活水平不斷提高，私家車的普及率越來(lái)越高，私家車的出現(xiàn)也為人們的交通出行帶來(lái)了極大方便，但是由此產(chǎn)生了一系列問(wèn)題。世界衛(wèi)生組織的交通事故調(diào)查顯示，約50%以上的交通事故與酒后駕駛有一定的關(guān)系[1-3]。酒后駕駛問(wèn)題日趨嚴(yán)重，因此，研究一種低成本、實(shí)用的酒精濃度檢測(cè)方法具有重要的意義[4]。文章設(shè)計(jì)了一種利用STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片的車內(nèi)酒精自檢系統(tǒng)，完成了酒精自檢系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并通過(guò)Proteus軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證了車內(nèi)酒精自檢系統(tǒng)的可行性[5]，最后通過(guò)實(shí)物焊接完成設(shè)計(jì)，從而為駕駛?cè)藛T提供一種簡(jiǎn)易的酒精測(cè)試應(yīng)用工具[6]。

該系統(tǒng)是一種可自主檢測(cè)、造價(jià)低廉的車內(nèi)酒精濃度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[7]。它采用單片機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)自動(dòng)對(duì)車輛內(nèi)的酒精濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和顯示，以達(dá)到提高汽車行駛安全性的目的。行駛前通過(guò)酒精傳感器檢測(cè)車內(nèi)酒精濃度，如果酒精濃度超過(guò)閾值則無(wú)法啟動(dòng)車輛并且報(bào)警提醒駕駛員[8，9]。當(dāng)車輛行駛時(shí)遇到突發(fā)情況，例如在車內(nèi)不小心有酒撒出來(lái)，這時(shí)雖然會(huì)報(bào)警但不會(huì)立即制動(dòng)停車，而是慢慢降速，給車內(nèi)人員緩沖時(shí)間做出有效應(yīng)對(duì)，有效防止因駕駛員酒后駕車引起的交通事故[10-12]。

1? 系統(tǒng)方案

設(shè)計(jì)的酒精自檢系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能特點(diǎn)：

1）行駛前檢測(cè)車內(nèi)酒精濃度，若超過(guò)閾值，系統(tǒng)要及時(shí)報(bào)警，起到警醒作用。

2）行駛時(shí)如果檢測(cè)到酒精濃度超過(guò)閾值，系統(tǒng)要顯示酒精濃度并立即報(bào)警，但不能立即制動(dòng)。

3）要從實(shí)用的角度出發(fā)，采用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)鍵盤及液晶顯示器進(jìn)行控制，以達(dá)到人機(jī)交互式操作的目的，界面應(yīng)設(shè)置簡(jiǎn)單。

通過(guò)酒精傳感器來(lái)檢測(cè)車內(nèi)駕駛員呼出的氣體濃度，其后，通過(guò)主控芯片的A/D轉(zhuǎn)換，將處理后的酒精濃度數(shù)據(jù)利用LCD顯示屏進(jìn)行顯示。當(dāng)酒精濃度超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)報(bào)警及車輛制動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防酒駕功能。酒精傳感器是把非電量轉(zhuǎn)換為電量，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，把數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。行駛前如果超過(guò)閾值會(huì)報(bào)警及制動(dòng)；行駛時(shí)，如果酒精濃度超過(guò)閾值，不會(huì)立即制動(dòng)而是控制車速慢慢下降。另外，還需要連接LCD顯示器、按鍵電路、聲光報(bào)警電路等，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1? 系統(tǒng)總體方案

2? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的總體分為兩部分，單片機(jī)最小系統(tǒng)和外圍電路設(shè)計(jì)。其中單片機(jī)最小系統(tǒng)包括STC89C52RC、復(fù)位電路和晶振。外圍電路包括鍵盤電路、LCD顯示電路、聲光報(bào)警電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、繼電器電路等，如圖2所示。

2.2? 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)選用STC89C52RC，當(dāng)單片機(jī)處于空閑的狀態(tài)下，CPU會(huì)自動(dòng)停止工作，而RAM、定時(shí)器、串口和中斷可以繼續(xù)正常工作。在斷電保護(hù)的模式下，會(huì)對(duì)RAM數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)振蕩器進(jìn)行凍結(jié)，以確保單片機(jī)在下一次斷開或硬件復(fù)位設(shè)置前全部停止運(yùn)行。高頻運(yùn)行以每小時(shí)35 MHz的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，并且具有良好的實(shí)時(shí)性，可以滿足多樣化的需求。

復(fù)位電路是把電路還原到初始狀態(tài)。所謂的復(fù)位，就是將一個(gè)電路還原成原來(lái)的樣子，就像是計(jì)算器上的歸零鍵一樣，還原成原來(lái)的樣子才能繼續(xù)運(yùn)算。單片機(jī)的復(fù)位，是將電路恢復(fù)到初始的狀態(tài)，只要在單片機(jī)復(fù)位引腳RST上外接相應(yīng)的電阻和電容，就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上電復(fù)位。按鍵復(fù)位就是把開關(guān)并聯(lián)在復(fù)位電容上，當(dāng)開關(guān)按鈕被按下時(shí)，電容會(huì)放電，復(fù)位引腳會(huì)維持高電平的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

在單片機(jī)系統(tǒng)里，時(shí)鐘電路是單片機(jī)運(yùn)行的必備條件，也是最小系統(tǒng)作為應(yīng)用的核心部分，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，如存儲(chǔ)器擴(kuò)展、A/D擴(kuò)展等，使單片機(jī)能夠完成較復(fù)雜的功能。晶振電路屬于時(shí)鐘電路的一種，在單片機(jī)的控制過(guò)程中，晶振是不可缺少的組成部分之一。晶振起到的作用很重要，它是整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)比較核心的部件。晶振電路為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供基礎(chǔ)時(shí)鐘，一般情況下系統(tǒng)會(huì)共用一個(gè)晶振，可以保證各個(gè)部件同步工作。晶振是可以把電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，精確度和溫度特性也比較好，在共振的狀態(tài)下工作，可以產(chǎn)生一種穩(wěn)定、準(zhǔn)確的單頻率振蕩。并且時(shí)鐘頻率越高，運(yùn)行的速度就會(huì)越快。

2.3? 鍵盤電路

鍵盤電路總共設(shè)計(jì)了3個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)復(fù)位按鍵、閾值加鍵和閾值減鍵。由于不同場(chǎng)所進(jìn)行酒精檢測(cè)時(shí)，對(duì)酒精的濃度要求不一樣，可以通過(guò)閾值的加減鍵進(jìn)行控制。

單片機(jī)的鍵盤能分成矩陣鍵盤和直通式鍵盤兩種。矩陣鍵盤是由多個(gè)按鍵按照一定的矩陣排列方式組成的，一般采用行列掃描的方式進(jìn)行控制，其中行和列分別與單片機(jī)的輸出端口和輸入端口相連。直通式鍵盤是指每個(gè)按鍵都有單獨(dú)的引腳與單片機(jī)相連的設(shè)計(jì)。與矩陣鍵盤不同，按鍵直接與輸入端口相連，當(dāng)某個(gè)按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)會(huì)立即響應(yīng)中斷，并執(zhí)行相應(yīng)的程序代碼，顯示相關(guān)字符信息。根據(jù)需要，在設(shè)計(jì)中選擇了響應(yīng)速度快的直通式鍵盤。

2.4? LCD顯示電路

采用LCD1602作為顯示電路。它成本低、價(jià)格便宜、做工質(zhì)量較好，在用于檢測(cè)的時(shí)候性能穩(wěn)定，可以滿足該系統(tǒng)實(shí)際顯示車內(nèi)酒精濃度值的要求。它有14個(gè)引腳，其中R/W引腳為L(zhǎng)CD1602數(shù)據(jù)讀取/寫入信號(hào)線，主要作用是顯示車內(nèi)氣體中的酒精濃度。

LCD顯示電路的原理是：當(dāng)采集的酒精濃度數(shù)據(jù)輸入用于檢測(cè)的單片機(jī)后，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，處理過(guò)后驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示酒精的濃度數(shù)值按鍵設(shè)置閾值，同時(shí)LCD液晶接在單片機(jī)的P0口上。液晶顯示模塊是LCD1602，它的顯示容量為2行16個(gè)字符，可定義8個(gè)5×8點(diǎn)陣字符或者4個(gè)5×10點(diǎn)陣字符，容量足夠顯示當(dāng)前設(shè)置酒精濃度閾值和當(dāng)前酒精濃度值。

2.5? 聲光報(bào)警電路

LED燈光報(bào)警是一種以輕巧、便攜和易于安裝為特點(diǎn)的報(bào)警器。采用LED燈光報(bào)警是因?yàn)樗哂辛炼雀?、壽命長(zhǎng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)用范圍比較廣，可應(yīng)用于各種場(chǎng)景，本次設(shè)計(jì)利用LED燈光閃爍頻率和亮度，能夠迅速吸引注意力，警示駕駛員及車內(nèi)人員。

聲光報(bào)警電路主要由放大電路、控制電路、揚(yáng)聲器和LED組成，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)。一般采用直流供電，在通電后產(chǎn)生振動(dòng)，輸出1.5～2.5 kHz的音頻信號(hào)，蜂鳴器的放大電路包括信號(hào)放大和濾波兩個(gè)部分，它的特點(diǎn)是體積小、功耗小、可以重復(fù)工作。

2.6? A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

MQ-3主要負(fù)責(zé)采集酒精濃度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集之后上傳到電路當(dāng)中。酒精濃度傳感器采用的是MQ-3氣敏傳感器，此傳感器采用電導(dǎo)率比較低的氧化錫這一物質(zhì)半導(dǎo)體作為傳感器。當(dāng)車內(nèi)的氣體濃度增加時(shí)，電阻值會(huì)降低。檢測(cè)范圍為0.001%～0.2%，輸出酒精濃度模擬信號(hào)。它靈敏度高，體積小，價(jià)格低廉，而且可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾。

該設(shè)計(jì)的測(cè)量對(duì)象是酒精濃度，因此需要酒精傳感器將酒精檢測(cè)到的濃度值轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號(hào)，而這些模擬電信號(hào)還需轉(zhuǎn)換成能夠讓單片機(jī)處理的數(shù)字量。相對(duì)于積分型ADC來(lái)說(shuō)，逐次逼近型ADC采樣速率較高，功耗相對(duì)較低。選用的是逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，型號(hào)是ADC0809，這是目前普遍使用的A/D轉(zhuǎn)換器件ADC0809約需100 μs完成一個(gè)轉(zhuǎn)換，可以通過(guò)外接電路對(duì)0～5 V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.7? 繼電器電路

本系統(tǒng)的控制電路是繼電器電路，此電路可以很好地檢測(cè)駕駛員的酒后駕車行為。繼電電路用于制止駕駛員酒后開車的行為，不僅僅對(duì)駕駛員有警示作用，還對(duì)酒后開車行為的檢測(cè)具有很大幫助。當(dāng)檢測(cè)儀獲取的酒精濃度值超過(guò)預(yù)定的閾值時(shí)，繼電器電路會(huì)發(fā)揮作用，自動(dòng)切斷汽車的電源，從而達(dá)到預(yù)防駕駛?cè)藛T飲酒開車的目的。若汽車在行駛的過(guò)程中，檢測(cè)到汽車中的酒精濃度超過(guò)閾值，則通過(guò)PWM控制汽車慢慢降速，直到汽車的速度為0。

在行駛過(guò)程中，如果遇到突發(fā)狀況，例如在行駛過(guò)程中車內(nèi)有酒灑出來(lái)，車內(nèi)酒精濃度上升超過(guò)閾值，這時(shí)，為了安全車子絕對(duì)不能直接制動(dòng)停車，只能將車速慢慢停下。本次的設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)速，PWM就是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是利用數(shù)字信號(hào)來(lái)控制模擬電路的一種技術(shù)。

PWM有兩個(gè)重要的參數(shù)，頻率還有占空比。頻率是周期的倒數(shù)，而占空比是指高電平在一個(gè)周期占到的比例。改變占空比就可以控制輸出電壓，從而控制電機(jī)的速度。PWM為高電平，電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)；PWM為低電平，電機(jī)不加速運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣，就可以通過(guò)對(duì)占空比的控制，來(lái)對(duì)電機(jī)在一個(gè)PWM周期中的提速時(shí)間進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)PWM脈沖占空比的調(diào)節(jié)，可以使電機(jī)兩端的電壓發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的目的。

3? 系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)此自檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，主程序設(shè)計(jì)需要對(duì)定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示屏進(jìn)行初始化，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換電路，將MQ-3傳感器采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成酒精濃度值，酒精濃度值經(jīng)單片機(jī)處理，在LCD1602屏上顯示。若車內(nèi)酒精濃度在行駛前超過(guò)設(shè)定閾值，則會(huì)顯示酒駕或醉駕并發(fā)出聲光報(bào)警。若汽車在行駛時(shí)超過(guò)設(shè)定閾值，不會(huì)立即制動(dòng)而是控制車速慢慢下降，系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3? 系統(tǒng)軟件流程圖

4? 系統(tǒng)調(diào)試

4.1? 仿真調(diào)試

利用Proteus軟件對(duì)車內(nèi)酒精檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，LCD1602、聲光報(bào)警電路、繼電器電路分別如圖4（a）（b）（c）所示。開始仿真后，LCD1602顯示屏顯示當(dāng)前酒精濃度為70 mg/dL，此時(shí)沒(méi)有超過(guò)閾值的酒精濃度，因此，沒(méi)有聲光報(bào)警和調(diào)速。

（a）LCD1602

（b）聲光報(bào)警電路

（c）繼電器電路

圖4? 酒精濃度未超過(guò)閾值的仿真圖

當(dāng)仿真的酒精濃度超過(guò)100 mg/dL時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警以及調(diào)速，LCD1602、聲光報(bào)警電路、繼電器電路分別如圖5（a）（b）（c）所示。此時(shí)測(cè)量車內(nèi)的酒精濃度為539 mg/dL，可以發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)的聲光報(bào)警系統(tǒng)開始工作，直至速度降為0為止。

（a）LCD1602

（b）聲光報(bào)警電路

（c）繼電器電路

圖5? 酒精濃度超過(guò)100 mg/dL時(shí)的仿真圖

4.2? 實(shí)物調(diào)試

在LCD1602顯示屏中，第一行實(shí)際顯示的是汽車中室內(nèi)的空氣酒精濃度和PWM的調(diào)速，汽車中空氣酒精濃度的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)則在第二行顯示，通過(guò)按鍵可以調(diào)節(jié)初始閾值。

通過(guò)MQ-3酒精傳感器檢測(cè)車內(nèi)酒精濃度，當(dāng)酒精傳感器在檢測(cè)酒精濃度后，信息通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳給單片機(jī)（STC89C52RC）進(jìn)行處理。通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置閾值，按鍵包括加減鍵、啟動(dòng)按鍵、復(fù)位按鍵。如果開始時(shí)酒精濃度超過(guò)閾值，系統(tǒng)控制聲光報(bào)警并制動(dòng)，電機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果酒精傳感器檢測(cè)到酒精濃度超過(guò)閾值，這時(shí)不會(huì)立即制動(dòng)而是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速慢慢下降。

系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)調(diào)試之后，能夠非常準(zhǔn)確地對(duì)汽車室內(nèi)的空氣的酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可以在顯示器上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。如果在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)中，被測(cè)人員的酒精濃度沒(méi)有超標(biāo)，則在LCD1602液晶屏上顯示實(shí)時(shí)酒精濃度；如果汽車中空氣的酒精濃度超標(biāo)，則汽車無(wú)法啟動(dòng)；如果在行駛的過(guò)程中檢測(cè)到汽車中空氣的酒精濃度超標(biāo)，則通過(guò)PWM對(duì)汽車慢慢降速，實(shí)物如圖6所示。

圖6? 實(shí)物圖

5? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)先后完成了酒精質(zhì)量濃度采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、PWM控制電路、液晶顯示電路以及聲光報(bào)警等電路的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中整個(gè)裝置較好地達(dá)成了設(shè)計(jì)要求。此自檢系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確且有效地測(cè)量汽車中空氣的酒精濃度。當(dāng)車內(nèi)的酒精濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值時(shí)，自檢系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。另外，該系統(tǒng)具有價(jià)格較低、實(shí)用性能非常強(qiáng)、非常便攜等特點(diǎn)，可以廣泛用于酒駕、醉駕的檢測(cè)及酒廠等場(chǎng)所酒精濃度的檢測(cè)，對(duì)保障人們的出行及人身安全具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：趙志崢（1992.10—），男，漢族，河南焦作人，助教，碩士，研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)控制。