安徽省阜陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院　王中心　王亞偉　張　文　王東方

基于單片機(jī)的汽車酒駕警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽省阜陽(yáng)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院王中心王亞偉張文王東方

采用STC系列單片機(jī)，利用其內(nèi)部集成的AD模塊對(duì)酒精傳感器MQ-3輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，把采集得到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為血液酒精濃度后在液晶屏顯示；一旦血液酒精濃度大于設(shè)定值則采用語(yǔ)音模塊對(duì)酒駕者進(jìn)行語(yǔ)音警示，同時(shí)必要時(shí)可以給出警示后切斷汽車點(diǎn)火電路，以減少酒駕對(duì)社會(huì)危害。

單片機(jī)；酒精濃度傳感器；數(shù)據(jù)采集；酒駕

1　前沿

隨著汽車保有量的不斷提升及人們生活水平的提高，越來越多人的日常出行離不開汽車；隨之而來的是越來越多的交通事故不斷發(fā)生，特別是酒后駕駛，更易造成大的傷亡事故，這一現(xiàn)象已經(jīng)成為影響我國(guó)社會(huì)和諧發(fā)展的重要因素。如何減少酒后駕駛所引起的各類事故，已經(jīng)成為公安、司法部門工作的重要事務(wù)。為做到更好的事前預(yù)防，本設(shè)計(jì)從技術(shù)角度，通過該系統(tǒng)對(duì)酒駕者進(jìn)行語(yǔ)音警醒，或更進(jìn)一步切斷汽車點(diǎn)火電路，從而減少酒駕事故的發(fā)生。

2　汽車酒駕警示系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心單元采用STC單片機(jī)12C5A60S2，該單片機(jī)片內(nèi)集成高精度AD模塊及SPI接口，可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　汽車酒駕預(yù)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)酒精傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過軟件查表方式換算出酒駕者呼出氣體中所含酒精濃度，進(jìn)而再換算成酒駕者血液中酒精濃度，然后通過液晶屏顯示出來，同時(shí)采用語(yǔ)音模塊播報(bào)采集結(jié)果，并對(duì)酒駕者進(jìn)行語(yǔ)音警示告誡；一旦酒精濃度大于設(shè)定數(shù)值，則直接切斷汽車點(diǎn)火電路；系統(tǒng)可以設(shè)定每次采集酒精濃度的時(shí)間間隔及一旦切斷點(diǎn)火電路后的再次接通時(shí)間間隔。

3　汽車酒駕警示系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)硬件部分以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，采用MQ-3高靈敏度酒精傳感器模塊進(jìn)行酒精濃度測(cè)量，采用WT588D-U語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音播放以對(duì)酒駕者進(jìn)行警醒提示，當(dāng)酒精濃度達(dá)到一定數(shù)值，采用繼電器切斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電路。

3.1核心控制模塊STC12C5A60S2

STC12C5A60S2是深圳宏晶科技推出的一款高性能單片機(jī)產(chǎn)品，該單片機(jī)速度快，比普通51單片機(jī)快6-12倍，集成2-3個(gè)串口，2路CCP/PCA/PWM，8路10位的高速A/D模塊，片內(nèi)集成大容量EEPROM及RAM，集成SPI高速同步串口，片內(nèi)集成時(shí)鐘電路，通用IO口具有多種工作模式，由于集成功能模塊較多，便于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2酒精傳感器模塊

酒精濃度測(cè)量采用MQ-3傳感器，該傳感器線性輸出0V-5V的電壓，氣體酒精濃度越高，其模擬輸出端Aout輸出電壓越高，且具有良好的線性比例關(guān)系；該型傳感器靈敏度高，有快速響應(yīng)和恢復(fù)特性，長(zhǎng)壽命且工作穩(wěn)定；應(yīng)用電路簡(jiǎn)單。

3.3語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音播放模塊采用的是WT588D-U語(yǔ)音模塊。該語(yǔ)音模塊應(yīng)用范圍廣，幾乎可以用到所有的語(yǔ)音場(chǎng)所，如報(bào)站器、報(bào)警器、學(xué)習(xí)機(jī)、智能家電、電子玩具、倒車?yán)走_(dá)等各種自動(dòng)播報(bào)語(yǔ)音場(chǎng)所。該模塊使用簡(jiǎn)單，可以通過SPI接口與單片機(jī)通訊；內(nèi)置13Bit/DA轉(zhuǎn)換器，以及12Bit/PWM音頻處理，確保高品質(zhì)語(yǔ)音輸出；支持加載6K～22KHz采樣率WAV音頻；PWM輸出可直接推動(dòng)0.5W/8Ω揚(yáng)聲器，推挽電流充沛；支持DAC/PWM兩種輸出方式。

WT588D-U語(yǔ)音模塊采用三線制與主控單片機(jī)STC12C5A60S2通訊。三線串口控制模式由片選CS、時(shí)鐘CLK和數(shù)據(jù)DATA腳組成，時(shí)序仿照標(biāo)準(zhǔn)SPI通信方式，片選信號(hào)CS先拉低5ms以喚醒語(yǔ)WT588D-U語(yǔ)音模塊，接收數(shù)據(jù)低位在先，在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)。時(shí)鐘周期介于100us～2ms之間。其與單片機(jī)之間連接如圖2所示。其中DATA即STC12C5A60S2的P1.5引腳；CS即STC12C5A60S2的P1.4引腳；CLK即STC12C5A60S2的P1.7引腳。

圖2　WT588D-U語(yǔ)音模塊采用三線制與單片機(jī)通訊

3.4液晶顯示模塊

液晶顯示模塊采用的是LCD1602，它是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示32個(gè)字符。工作電壓為3V或5V，對(duì)比度可調(diào)，內(nèi)含有復(fù)位電路。LCD的電路圖如圖3所示。

LCD顯示屏內(nèi)建有192個(gè)5*7點(diǎn)陣的字符型的字符發(fā)生器。它提供多種不同命令，如：字符閃爍、光標(biāo)閃爍、移位顯示、清屏燈功能。它功耗低，體積小，顯示內(nèi)容豐富。

圖3　LCD的電路原理圖

4　汽車酒駕警示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)主要由酒精濃度檢測(cè)模塊、WT588D播放控制程序模塊及液晶顯示模塊構(gòu)成。關(guān)于DS1602顯示程序模塊，較為常見，此處不做介紹。

4.1酒精濃度檢測(cè)程序模塊

STC12C5A60S2的AD轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.0～P1.7），共八個(gè)AD轉(zhuǎn)換口，在此選擇沒有使用過的P1.0口線接酒精傳感器MQ-3的模擬輸出口，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，不需要作為AD轉(zhuǎn)換的口可繼續(xù)作為一般IO口使用。本程序模塊主要對(duì)P1口模擬功能控制寄存器（P1ASF）、A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器（ADC-CONTR）、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器（ADC-RES、ADC-RESL）、中斷允許寄存器（IE）、中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器（IP、IPH）及輔助寄存器1（AUXR1）進(jìn)行初始化。初始化完畢則啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果及處理。

4.2WT588D語(yǔ)音播放控制程序模塊

本系統(tǒng)單片機(jī)對(duì)語(yǔ)音模塊WT588D的控制采用的是三線串口控制模式，分別由片選CS，數(shù)據(jù)DATA，時(shí)鐘CLK，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SPI通訊時(shí)序進(jìn)行通信控制，芯片（模塊）I/O分配見圖2。SPI通訊時(shí)序圖如圖4所示。

語(yǔ)音及命令對(duì)應(yīng)表如表1所示。通訊過程由函數(shù)Send_threeline（unsigned char addr）完成。模塊播放的酒駕警示語(yǔ)句事先按地址通過上位機(jī)軟件注入。

圖4　三線串口控制時(shí)序圖

表1　語(yǔ)音及命令對(duì)應(yīng)表

5　系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試表明，一旦酒駕者進(jìn)入駕駛艙，汽車系統(tǒng)供電，這時(shí)，酒駕警示系統(tǒng)將開始工作。一旦測(cè)出酒駕者血液酒精濃度大于設(shè)置值，則在液晶屏顯示測(cè)試結(jié)果的同時(shí)，對(duì)酒駕者進(jìn)行語(yǔ)音警示；一旦達(dá)到醉駕標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)行語(yǔ)音警示的同時(shí)，直接切斷汽車點(diǎn)火電路。

［1］崔國(guó)麗，車喜龍.基于STC12C5A60S2與AD620的小信號(hào)采集系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，11：112-114.

［2］何諧，唐大權(quán)，張淑廷，陳雪.一種基于51單片機(jī)的音樂播放器的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，16：11-13+17.

［3］楊艦，紀(jì)綠彬.基于STC12C5A60S2的U盤音頻播放器設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2011，10：24-27.

［4］王春武，劉春玲，秦政坤，王廣德，王立忠.基于WT588D模塊的語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，01：115-117+121.

［5］齊現(xiàn)英，付海鴻，魯雯，韓豐談，徐惠.基于WT588D的高頻X線機(jī)智能語(yǔ)音提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2012，03：3397-3400.

［6］徐娟娟，趙建平.WT588D在汽車遠(yuǎn)程防盜系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣自動(dòng)化，2012，04：85-87.

王中心（1976—），男，安徽渦陽(yáng)人，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（AH201310371072）；國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（AH201310371021）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（AH201310371068）；阜陽(yáng)師范學(xué)院自然科學(xué)項(xiàng)目（2016FSKJ17）資助。