侯思寧，崔財(cái)豪

(北京吉利學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 102202)

0 引言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的前提下，物質(zhì)比過去更為豐富。隨著私家車在國內(nèi)逐漸普及，交通事故率也在不斷攀升，根據(jù)WHO的調(diào)查顯示，交通事故約50%與酒后駕車有關(guān)，且死亡率很高，目前已成為交通事故的主要“罪犯”，酒精濃度檢測和監(jiān)測的普及可以在一定程度上降低交通事故率。為此本文作者使用STC89C51單片機(jī)和MQ-3酒精傳感器設(shè)計(jì)出酒駕報(bào)警系統(tǒng)，利用不同濃度的酒精氣體來改變敏感膜的電阻，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，并經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換芯片收集電壓信息，由單片機(jī)計(jì)算并實(shí)時(shí)顯示。通過按鈕設(shè)置酒精駕駛和飲酒駕駛的限制值，當(dāng)系統(tǒng)檢測出的酒精濃度值超過界限值時(shí)，LED紅燈閃亮，報(bào)警器響應(yīng)，產(chǎn)生蜂鳴。

1 硬件的選取

國產(chǎn)STC的51單片機(jī)，因?yàn)槠湮锩纼r(jià)廉、開發(fā)簡單，在應(yīng)用上與ATMEL公司無差別，并具有低功耗的、高性能的微處理器。而且該公司對器件做了一定的升級，不需要外接存儲(chǔ)芯片來應(yīng)對掉電情況。

顯示器件使用液晶顯示屏，型號(hào)是LCD1602，也叫做字符型液晶顯示器。該器件可以顯示字母和數(shù)字，或者也可以顯示自定義字符?？刂坪唵?，和市面上大多數(shù)液晶顯示器的控制原理完全相同。

MQ-3半導(dǎo)體酒精傳感器。該裝置所選用的氣體檢測材料是在空氣中低導(dǎo)電率的二氧化錫。當(dāng)酒精氣體出現(xiàn)在空氣中時(shí)，傳感器的導(dǎo)電率與酒精濃度呈正相關(guān)。在簡單計(jì)算之后，可以將導(dǎo)電率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電信號(hào)。之所以選用該器件，是因?yàn)槠鋵凭哂邢喈?dāng)高的靈敏度，而且最關(guān)鍵的是其抗干擾能力極高，可以避免汽油和水汽的干擾。該傳感器在社會(huì)各個(gè)方面應(yīng)用廣泛，是經(jīng)過實(shí)踐認(rèn)可的可靠器件。

A/D轉(zhuǎn)換芯片，型號(hào)為ADC0832的器件，是NS公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換芯片。具有廣泛兼容、性價(jià)比極高以及體積小等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，選擇了STC89C51作為該設(shè)計(jì)的主控芯片，通過LCD1602進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示信息，采用半導(dǎo)體氣敏傳感器MQ-3對酒精氣壓的檢測，并通過電路將酒精濃度引起的MQ-3內(nèi)阻變化轉(zhuǎn)變成電壓變化后由ADC0832進(jìn)行采集，系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的酒精濃度信息與限值進(jìn)行對比，如果超過限制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出對應(yīng)的警示，限值可由按鍵進(jìn)行設(shè)置并具有掉電存儲(chǔ)的功能。圖1為系統(tǒng)方案平鋪圖，圖2為系統(tǒng)運(yùn)行順序圖。

圖1 系統(tǒng)方案平鋪

圖2 系統(tǒng)方案順序

2 單片機(jī)的介紹

單片機(jī)的最小系統(tǒng)，簡而言之就是想讓單片機(jī)運(yùn)行和工作，一共需要幾個(gè)元件。這幾個(gè)元件，就叫做最小系統(tǒng)。以下就是51單片機(jī)運(yùn)行的最小系統(tǒng)元件和作用：

(1)電源。電源對于任何一個(gè)電子產(chǎn)品都是必不可少的東西，因?yàn)槿魏蜗到y(tǒng)都需要能源供給才能進(jìn)行正常的運(yùn)行。而此設(shè)計(jì)共需要5 V左右的電壓，所以采用了移動(dòng)電源進(jìn)行供電，也就是電池供電，大小約為5 V。

(2)電路，也叫晶振電路。圖中的XTAL1和XTAL2是兩個(gè)獨(dú)立的輸入和輸出。如圖3采用了內(nèi)時(shí)鐘模式，也就是利用了內(nèi)部振蕩器的自激震蕩。由于考慮到頻率的高低與功耗相關(guān)，所以選擇了12 MHz的石英晶振。電容則選用了30 pF的陶瓷諧振器件。

(3)復(fù)位電路。被分為開關(guān)復(fù)位以及上電的自動(dòng)復(fù)位。接通電源后，電容器的負(fù)極被復(fù)位。電容端子的電壓不會(huì)急劇變化。RST輸入是高的，此時(shí)重新設(shè)置芯片。然后，5 V的電源給電容器充電。并且，電阻上的電壓逐漸減少到0。復(fù)位按鈕在電容器的兩端并聯(lián)連接。在按下復(fù)位按鈕之前，實(shí)現(xiàn)電源開啟復(fù)位。芯片運(yùn)行時(shí)，也可以通過按RST手動(dòng)復(fù)位。為了實(shí)現(xiàn)單芯片微計(jì)算機(jī)的有效復(fù)位，需要保持10 ms以上的高電平的。圖3為單片機(jī)的最小系統(tǒng)的完整圖。

圖3 51單片機(jī)的最小系統(tǒng)

3 酒精傳感器的應(yīng)用

MQ-3是一款以測試酒精為主的傳感器。其工作電壓為2.5～5.0 V，產(chǎn)品尺寸為40.0 mm×21.0 mm，固定孔尺寸為2.0 mm，主要芯片為ZYMQ-3氣體傳感器，工作電壓為直流5 V。 具有簡單的回路即可驅(qū)動(dòng)、低廉的價(jià)格卻有著長期穩(wěn)定的工作穩(wěn)定性、對乙醇以外的氣體具有抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器剛上電時(shí)傳感器的輸出電壓會(huì)快速的上升，上升到一定程度后又會(huì)慢慢地降到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，所以在使用前需要對傳感器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的時(shí)間在1～2 min左右，使得傳感器穩(wěn)定工作。傳感器的輸出電壓與被測環(huán)境的酒精濃度存在著一個(gè)近似線性的關(guān)系，在不含酒精的環(huán)境下，傳感器的輸出電壓在1 V左右，當(dāng)傳感器檢測到酒精氣體時(shí)，電壓每升高0.1 V，近似被測氣體濃度增加20 ppm也即是2 mg/100 mL。MQ-3酒精檢測電路圖如圖4所示，MQ-3的特性見表1，實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 MQ-3酒精檢測電路

表1 MQ-3的特性

圖5 MQ-3實(shí)物

4 設(shè)計(jì)的仿真運(yùn)行

系統(tǒng)的軟件方面通過KEIL編程軟件進(jìn)行編寫，將編寫好的程序生成.HEX文件之后利用PL2303下載器下載到單片機(jī)中。然后觀察整個(gè)程序系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，對照進(jìn)行每一組的反復(fù)的修改以及調(diào)試，在Protues仿真軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行，最終得到一個(gè)實(shí)際的可用程序。

圖6和圖7為仿真軟件Protues的仿真運(yùn)行圖。

圖6 停止?fàn)顟B(tài)

圖7 報(bào)警狀態(tài)

由圖6可看出，在停止?fàn)顟B(tài)下，LCD顯示器、LED警示燈并未亮起，電路未啟動(dòng)。

由圖7可看出，將酒精濃度調(diào)高，調(diào)至示例806 ppm，圖中LCD顯示器所顯示數(shù)值806 ppm，發(fā)現(xiàn)LED紅燈亮起，蜂鳴報(bào)警器開始發(fā)出尖銳蜂鳴聲報(bào)警。

圖8為實(shí)物靜止未開啟狀態(tài)，電路未通電，顯示器燈滅，報(bào)警紅燈熄滅，蜂鳴器不發(fā)聲報(bào)警。

圖8 未通電實(shí)物

圖9為通電情況，顯示器顯示需要等待預(yù)熱60 s，MQ-3酒精傳感器紅綠燈亮起，表示工作狀態(tài)。報(bào)警燈仍然未亮，蜂鳴器不報(bào)警。

圖9 報(bào)警器預(yù)熱

圖10為預(yù)熱完成，報(bào)警器處于工作狀態(tài)，顯示器顯示酒精濃度為000 ppm，報(bào)警紅燈未亮，蜂鳴器不報(bào)警。

圖10 檢測狀態(tài)

圖11為檢測到酒精后，顯示器顯示酒精濃度，已達(dá)到醉駕值，報(bào)警器紅燈亮起，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。

圖11 檢測到酒精狀態(tài)

5 結(jié)束語

文中的設(shè)計(jì)初衷是通過更加便捷的酒精濃度測試，從而在一定程度上減少酒駕的危害，因而該設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：攜帶、操作簡單方便；響應(yīng)速度快、靈敏度高、反應(yīng)結(jié)果精準(zhǔn)，誤差??；成本較低，易于推廣；當(dāng)酒精濃度超過限定值時(shí)，報(bào)警器會(huì)產(chǎn)生蜂鳴聲進(jìn)行報(bào)警，并且報(bào)警燈閃亮，易于觀察檢測結(jié)果，從而使人明確區(qū)分酒精濃度是否達(dá)到酒駕與否。

對比國內(nèi)其他酒駕報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)拒絕采用其他設(shè)計(jì)關(guān)于檢測到酒駕后，限制車速或進(jìn)行熄火的思路，因?yàn)槠湮：π赃h(yuǎn)大于酒駕，特別是在遇到緊急情況時(shí)，無法進(jìn)行駕駛，或者如若出現(xiàn)酒精傳感器誤判的情況，依然無法啟動(dòng)汽車的情況，該設(shè)計(jì)認(rèn)為諸如此類思路不可取，沒有考慮到實(shí)際情況。