金韋利, 張赟寧, 姜禮華

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 材料與化工學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在交通事故的法醫(yī)學(xué)調(diào)查中,世界各國均認(rèn)為酒駕是導(dǎo)致其發(fā)生的重要原因[1]。據(jù)國家交通部交通事故原因統(tǒng)計,我國的交通事故有33 %是因為酒駕造成的,且酒駕事故造成的人員死亡量占總事故死亡量的50 %以上[2]。而隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展,傳感器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生活中,使得人們的生活便捷化、智能化。針對酒駕事故的頻繁發(fā)生,僅靠路政部門不定期使用警用酒檢儀預(yù)防酒駕已嚴(yán)重影響酒駕監(jiān)測的實時性及便捷性。因此,針對目前的市場需求,本文擬設(shè)計一款智能汽車防酒駕檢測系統(tǒng),在發(fā)現(xiàn)酒駕時立即切斷汽車啟動系統(tǒng)并報警,力爭將酒駕扼殺在搖籃之中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能防酒駕系統(tǒng)以51單片機為核心,使用MQ-3酒精傳感器采集駕駛員呼出氣體的酒精濃度,將其進行信號調(diào)理并通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換送給單片機進行處理,并根據(jù)閾值判斷駕駛員呼出氣體所含的酒精濃度是否超標(biāo)。當(dāng)酒精濃度超標(biāo)時,系統(tǒng)通過繼電器自動關(guān)閉汽車發(fā)動機、LCD液晶顯示酒精濃度并進行聲光報警；否則車輛正常啟動、LCD顯示酒精濃度,系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 防酒駕系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

STC89C52單片機使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核,但經(jīng)改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能,它以低功耗、高性能的優(yōu)點可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、智能、有效的解決發(fā)、方案[3]。因此,本設(shè)計選用STC89C52單片機作為控制核心,負(fù)責(zé)接收按鍵及A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號、送顯酒精濃度至LCD并與閾值進行比較等。

2.2 酒精濃度采集模塊

本模塊包括MQ—3酒精傳感器探頭及信號調(diào)理電路,其中,MQ—3酒精傳感器主要由ZYMQ—3氣體傳感器和LM393電壓比較器構(gòu)成,ZYMQ—3氣體傳感器用以采集氣體中的酒精含量并以電壓值輸出,LM393電壓比較器負(fù)責(zé)將傳感器采集到的電壓值與電位器預(yù)設(shè)值比較,并將比較結(jié)果以數(shù)字量輸出,具體原理如圖2所示。

圖2 MQ—3酒精傳感器原理

國標(biāo)規(guī)定車輛駕駛?cè)藛T血液中酒精質(zhì)量濃度大于或等于20 mg/100 mL、小于80 mg/100 mL的駕駛行為為飲酒駕車[4]。當(dāng)酒精傳感器檢測到乙醇?xì)怏w時,電壓比較器的2腳可得與氣體濃度成正比的電壓值。當(dāng)電壓值超過電位器RP閾值20 mg/100 mL時,比較器2腳電位高于3腳電位,比較器1腳輸出低電平且LED燈亮,傳感器輸出低電平；否則傳感器輸出高電平,其值等于電源電壓。其中可調(diào)節(jié)電位器RP控制輸出信號的閾值。

2.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位分辨率、雙通道串行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換芯片具有功耗低、體積小、性價比較高等特點[5],適宜應(yīng)用在智能儀器儀表中。本系統(tǒng)采用其作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,將酒精采集模塊測得的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供單片機進行處理。將ADC0832的CLK接單片機P1.0腳、DI與DO并聯(lián)接P1.1腳,ADC0832與單片機接口及工作時序分別如圖3、圖4所示。

圖3 ADC0832與單片機接口電路

圖4 ADC0832工作時序

2.4 液晶顯示模塊

由于LCD1602功耗低、體積小及抗干擾能力強等優(yōu)點[6],本系統(tǒng)采用其作為顯示設(shè)備以顯示酒精濃度值信息,采用LCD1602與單片機的P0口相連的方法進行接口。單片機驅(qū)動LCD1602的主要操作包括讀狀態(tài)、寫指令、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的讀寫通過LCD1602的數(shù)據(jù)端口D0-D7與RS,R/W,E三個控制引腳的電平組合實現(xiàn)[6],芯片基本操作時序及寫操作時序分別如表1、圖5所示。

表1 LCD1602基本操作時序

圖5 LCD1602寫操作時序

2.5 按鍵模塊與及報警模塊

系統(tǒng)設(shè)置“濃度設(shè)置”“濃度增加”“濃度減小”3個按鈕,分別連接至單片機的P3.5,P3.6,P3.7腳,通過此3個按鈕可改變酒精濃度閾值。

汽車啟動電路通過電磁繼電器連接至P2.4腳,聲光報警電路通過PNP三極管連接至P2.0腳。根據(jù)閾值監(jiān)測駕駛員呼出氣體所含酒精濃度是否超標(biāo),若超標(biāo)則切斷啟動電路并進行聲光報警；否則,汽車正常啟動運行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)洗車防酒駕功能需求編制了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件,其設(shè)計思想為：當(dāng)駕駛員入室時啟動系統(tǒng)工作,酒精采集模塊的傳感器探頭采集駕駛員呼出氣體所含酒精濃度、并將酒精濃度經(jīng)信號調(diào)理轉(zhuǎn)換為模擬電信號,然后經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機進行處理,并將酒精濃度值送LCD液晶顯示。當(dāng)濃度值超出預(yù)設(shè)閾值時自動切斷汽車啟動電路并報警；否則,啟動電路正常工作。

4 系統(tǒng)性能測試

本設(shè)計使用啟東計算機總廠有限公司的SXB-01 51_CPU Module V2.0模塊進行了防酒駕系統(tǒng)性能測試。首先通過STC單片機的燒寫工具將生成的目標(biāo)文件經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口線下載到模塊中,然后上電運行,觀測繼電器及報警器的動作,具體結(jié)果如表2所示。即當(dāng)駕駛員血液中酒精質(zhì)量濃度小于20 mg/100 mL時,LED燈熄滅、蜂鳴器不工作,繼電器觸點閉合,汽車正常啟動；當(dāng)酒精質(zhì)量濃度大于20 mg/100 mL,LED燈紅光閃爍、蜂鳴器鳴叫,繼電器觸點斷開,禁止汽車啟動。仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠性高、符合設(shè)計要求。

表2 防酒駕系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于單片機的汽車防酒駕控制系統(tǒng),采用MQ—3型氣體傳感器檢測駕駛員呼氣中酒精濃度；當(dāng)檢測到酒精濃度超標(biāo)時,系統(tǒng)聲光報警并通過繼電器切斷汽車啟動系統(tǒng),禁止汽車啟動。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)性能良好,功能完善,操作簡單,通用性強,具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。