基于單片機的防酒駕控制系統設計*

金韋利, 張赟寧, 姜禮華

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

0 引 言

在交通事故的法醫學調查中,世界各國均認為酒駕是導致其發生的重要原因[1]。據國家交通部交通事故原因統計,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]。而隨著現代科技的迅速發展,傳感器技術已廣泛應用于生活中,使得人們的生活便捷化、智能化。針對酒駕事故的頻繁發生,僅靠路政部門不定期使用警用酒檢儀預防酒駕已嚴重影響酒駕監測的實時性及便捷性。因此,針對目前的市場需求,本文擬設計一款智能汽車防酒駕檢測系統,在發現酒駕時立即切斷汽車啟動系統并報警,力爭將酒駕扼殺在搖籃之中。

1 系統總體設計

智能防酒駕系統以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,將其進行信號調理并通過模/數轉換送給單片機進行處理,并根據閾值判斷駕駛員呼出氣體所含的酒精濃度是否超標。當酒精濃度超標時,系統通過繼電器自動關閉汽車發動機、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,系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 防酒駕系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

2.1 數據處理模塊

STC89C52單片機使用經典的MCS-51內核,但經改進使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能,它以低功耗、高性能的優點可為眾多嵌入式控制應用系統提供靈活、智能、有效的解決發、方案[3]。因此,本設計選用STC89C52單片機作為控制核心,負責接收按鍵及A/D轉換的數字信號、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電壓比較器負責將傳感器采集到的電壓值與電位器預設值比較,并將比較結果以數字量輸出,具體原理如圖2所示。

圖2 MQ—3酒精傳感器原理

國標規定車輛駕駛人員血液中酒精質量濃度大于或等于20 mg/100 mL、小于80 mg/100 mL的駕駛行為為飲酒駕車[4]。當酒精傳感器檢測到乙醇氣體時,電壓比較器的2腳可得與氣體濃度成正比的電壓值。當電壓值超過電位器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。其中可調節電位器RP控制輸出信號的閾值。

2.3 模/數轉換模塊

ADC0832是美國國家半導體公司生產的8位分辨率、雙通道串行模/數(A/D)轉換芯片具有功耗低、體積小、性價比較高等特點[5],適宜應用在智能儀器儀表中。本系統采用其作為模/數轉換芯片,將酒精采集模塊測得的模擬電壓值轉換為數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點[6],本系統采用其作為顯示設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。單片機驅動LCD1602的主要操作包括讀狀態、寫指令、讀數據、寫數據等。數據的讀寫通過LCD1602的數據端口D0-D7與RS,R/W,E三個控制引腳的電平組合實現[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

系統設置“濃度設置”“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。根據閾值監測駕駛員呼出氣體所含酒精濃度是否超標,若超標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 系統軟件設計

根據洗車防酒駕功能需求編制了相應的系統軟件,其設計思想為：當駕駛員入室時啟動系統工作,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、并將酒精濃度經信號調理轉換為模擬電信號,然后經模/數轉換電路轉換為數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。當濃度值超出預設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 系統性能測試

本設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性能測試。首先通過STC單片機的燒寫工具將生成的目標文件經USB轉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,具體結果如表2所示。即當駕駛員血液中酒精質量濃度小于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；當酒精質量濃度大于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。仿真結果表明,系統工作穩定、可靠性高、符合設計要求。

表2 防酒駕系統測試結果

5 結束語

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