基于STM32F103C8T6主控多功能防酒駕方向盤的設計與實現

錢國虎 王長春

摘 要：隨著現今社會的不斷發展，購買小轎車的人也日益增加。酒后駕駛事故是當今社會面臨的一大難題同時也是造成道路交通事故的主要原因之一。本設計使用STM32F103C8T6作為主控芯片，采用MQ-3酒精傳感器對空氣中的其他氣體進行過濾，除雜等，將空氣中酒精的體積分數轉換為電信號，通過MCU處理，將車內當前的空氣中酒精濃度顯示在OLED上面，若酒精濃度超過預設值，則系統判斷為酒后駕車，將會直接輸出指令，通過繼電器控制火花塞的供電，不允許汽車啟動，能夠避免酒駕現象的發生，對于道路交通安全能夠做出很大的貢獻，減少了因酒駕造成的交通事故。

關鍵詞：STM32F103C8T6；MQ-3；OLED繼電器

中圖分類號：TB472 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）36-0027-02

Abstract： With the continuous development of modern society， the number of people who buy cars is increasing day by day. Drunk driving accident is one of the most difficult problems and one of the main causes of road traffic accidents in today's society. In this design， STM32F103C8T6 is used as the main control chip， MQ-3 alcohol sensor is used to filter the other gases in the air， remove impurities and so on， and the volume fraction of alcohol in the air is converted into electrical signal， which is processed by MCU. The current concentration of alcohol in the air of the car is displayed on the OLED. If the concentration of alcohol exceeds the preset value， then the system judges that the driver is drunk， and the system will directly output instructions to control the power supply of the spark plug through a relay， and the car will not be allowed to start. This can avoid the occurrence of drunk driving phenomenon， bring benefits to road traffic safety， and reduce the traffic accidents caused by drunk driving.

Keywords： STM32F103C8T6； MQ-3； OLED relay

1 概述

在現代生活中，汽車幾乎己經成為了家家戶戶出門必不可少的代步工具。交通安全問題也隨之成為了我們必須要面對的重中之重。對于酒駕、醉駕總有部分司機存在僥幸心理，認為自己不會被查到或者認為自己駕駛技術熟練不會發生事故。因此，一個能夠實時監測駕駛員飲酒狀態的設備是非常必要的。防酒駕方向盤通過傳感器的探頭通過檢測司機呼出的氣體中的酒精成分的濃度來判斷是否存在酒后駕駛的安全隱患，并及時對汽車的發動機進行控制。能夠避免酒駕，減少因酒駕而引起的交通事故，對社會發展與安全具有重大意義。

2 系統組成

設計的系統組成框圖如圖1所示，從設計的要求來分析該設計須包括如下結構，酒精傳感機探頭電路、復位電路、OLED顯示電路、繼電器控制發動機電路，以及外部晶振電路。當司機打開車門鎖的時候，檢測系統進行復位操作，通過酒精傳感器地檢測，OLED顯示屏顯示當前車內酒精濃度，一旦酒精濃度超過預設值，將視為酒駕，此時觸發MUC控制繼電器切斷機動車點火裝置、鎖死方向盤。

3 硬件設計

3.1 主電路設計

此設計以STM32F103ZET6作為主控芯片，相比較8位的MCU來說在價格上有一定的提高的，但是對于本次設計，在數據的處理和顯示時效性要求特別高，必須采用內核處理速度非常快的MCU來做主控芯片，STM32F103Z

ET6單片機是非常好的選擇，使用了8MHz的晶振和32.768K的低速晶振來控制設計系統提供穩定的時鐘信號，經過程序中的頻率加倍，整個系統的時鐘最高可達到72MHz，使得MCU可快速處理從酒精檢測傳感器傳來的電信號，保證信號的時效性。MCU是3.3V供電的，而外在供電是5V的，所以用了一個AMS1117降壓穩壓芯片和數個濾波電容對電壓進行設定，保障了一個供電電源多用，提高了產品的實用性。為了方便系統的軟件調試，預留了插針連接單片機的NRST、TDI、TDO、TMS、TCK引腳，設計了JTAG下載仿真電路，在測試電路板時，方便軟件調試的燒錄。復位電路是由一個10uF電容和一個10K電阻組成，每當系統上電后電源對電容充電，此時電流經過電阻，復位腳被拉高，MCU進行復位，在單片機工作中，有一個程序指針，它指向即將要執行的程序。單片機上電時要執行復位操作，使得程序指針指向程序的0000H地址處，即單片機將要執行第一條語句，以后每執行完一條語句程序指針都依次增加。這樣使得單片機每次執行程序都處于確定狀態，如果沒有程序指針，就不知道程序一開始應該從哪里開始執行，也不知道工作時應該執行哪條語句。上電時的自動復位，使得各端口的輸出輸入電平不會處于不確定狀態，不會使外圍設備產生誤動作；也能防止內部一些控制寄存器的功能紊亂。對電信號的處理是運用MCU自帶的ADC，在高速的晶振下，AD轉換可以滿足對酒精傳感器傳來的電信號的時效性處理。顯示使用了OLED屏幕，OLED顯示技術具有自發光、廣視角、幾乎無窮高的對比度、較低耗電、極高反應速度等優點，非常適合作為此裝置的顯示屏。

3.2 酒精傳感器介紹

酒精傳感器是本系統的核心，酒精傳感器將酒精的體積分數轉換為電信號，探測頭通過傳感器對空氣中的其他氣體進行過濾，除雜等。本設計采用MQ-3酒精傳感器，由于MQ-3傳感器對酒精氣體具有良好的靈敏度、長壽命、低成本，耐汽油、煙霧、水蒸氣。MQ-3氣體傳感器所使用的氣敏材料二氧化錫（SnO2）其是在空氣中電導率是較低的。當傳感器隨著所處環境中酒精蒸汽的增加，傳感器的電導率也隨著酒精氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。傳感器表面電阻RS的變化，是通過與其串聯的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL獲得的。二者之間的關系表述為：RS/RL=（VC-VRL）/VRL，其中VC 為回路電壓10V。負載電阻RL 可調為0.5～200K，加熱電壓Uh為5V。這些參數使得傳感器輸出電壓為0～5V。

4 軟件設計

系統軟件部分采用模塊化設計，分為主控模塊、信息采集模塊、AD轉換模塊、OLED顯示模塊、繼電器控制模塊。程序流程圖如圖2所示，當系統開啟時，硬件復位，酒精檢測模塊獲取空氣中的酒精濃度，通過AD轉換，AD轉換用的是MCU自帶的ADC，為了使得空氣中酒精濃度測得值準確性高，用的精度是10位的運算值，經過反復檢測，10位的精度值不僅程序運算快，而且誤差小。將模擬量轉換為數字量，換算為當前空氣中的酒精濃度，與主程序所設計的標準酒精濃度進行對比，不超過標準濃度，不觸發繼電器，車輛可正常打火，若超過標準值，繼電器斷開，車輛無法啟動。OLED顯示屏顯示車內當前酒精濃度值，同時顯示標準的濃度值，當超過標準濃度值時，會有“超標”的報警提示信息顯示，OLED顯示采用的是IIC協議，只需要SDA和SCL兩個數據線即可與單片機進行通訊，在硬件上簡化了電路圖，軟件上簡化了程序，使得程序運行準確，信息傳遞快速。

5 結論

此篇文章介紹了防酒駕方向盤系統的設計，分別從硬件和軟件兩部分做了詳細的介紹。整套系統的結構是嵌入方向盤內部的，禁止了使用者的操控，大大提高了實用性和安全性。駕車司機飲酒后，系統能很快地檢測出空氣中酒精濃度的超標，快速地斷開繼電器，阻止司機打火。通過本次設計，我對數據采集與處理技術有了進一步的了解和更深層次的學習，只有在調試與實踐中才能體會到數據的神奇和獨特的魅力。各種公式的計算與解析，讓我明白理論依據也是非常重要的，數學工具是解決數據處理的最好方法，只有不斷地學習，才能研究出非常快速準確的機器語言算法！

參考文獻：

[1]李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京航天航空大學出版社.

[2]劉迎春.傳感器原理設計及應用[M].哈爾濱工業大學出社.

[3]譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4]王曉明，胡曉柏.電動機的單片機控制（第1版）[M].北京航空航天大學出版社，2002：181-208.