酒后駕駛智能閉鎖系統

潘瑩，陳燕（通訊作者），圣慶澳

（蚌埠學院 電子與電氣工程學院，安徽蚌埠，233030）

0 引言

為了能夠有效地解決各種因酒后駕駛機動車所導致而頻繁發生的交通事故，本此設計基于51 系列單片機的基礎之上，構想出了一款酒后駕駛智能閉鎖系統，該系統核心處理單元為單片機，駕駛員呼吸產生的氣體被傳感器檢測，通過分析此氣體判斷駕駛員體內酒精濃度，進而判別駕駛員是否能夠有思維，有判斷力去駕駛機動車。當氣體酒精含量濃度較高時，系統能夠主動阻止機動車引擎的啟動，繼而報警系統驅使報警器進行報警。以此來實現自動控制的功能，進而大大減小交通事故的發生，極大程度上保障了道路安全，更好地維護了我國的交通秩序，營造了友好的交通環境。

1 系統整體方案

系統整體結構采取了電源所需要的各種元器件集成到一塊芯片或者一塊電路板上的電源模塊、以二氧化錫為基本敏感材料的，專門用于呼氣中酒精濃度檢測的酒精傳感器、將flash 存儲器與MCS-51 控制器相結合的新型8 位AT89系列單片機、將模擬信號轉化為數字信號的A/D 轉換模塊、把LED（發光二極管）按一定規則排列在一起再封裝起來，加上一些防水處理組成的LED 顯示模塊、對指定的監控數據進行監控，從而與控制器進行通訊的報警模塊、輸出特性等于交流接觸器，可以被電壓驅動的繼電器驅動模塊等相繼構成。

該系統的主要工作性能是對傳感器模塊中的酒精傳感器所輸出的電壓信號進行獲取，然后對所獲取到的電壓信號進行模數轉換和放大處理操作，因此結合實際實踐操作情況分別對相關操作采用ADC0809 模數轉換模塊和AT89C52單片機模塊，當檢測到呼出氣體酒精含量濃度超過規定范圍值時，顯示模塊會對輸出電壓值利用LED 顯示屏進行顯示，進而報警模塊會切斷汽車啟動電源，同時驅動繼電器進行后續相關操作。

鑒于以上分析，對基于單片機的酒后駕駛智能閉鎖系統有了一定程度的構想，圖1 為該系統的系統框圖。

圖1 整體系統框架結構圖

2 系統硬件設計

■2.1 酒精傳感器測試電路的設計

本項目選用MR 酒精傳感器，因其靈敏度高、對乙醇蒸氣選擇性好、響應恢復快、使用壽長、穩定可靠、驅動電路簡單等顯著特點，符合要求。電路圖如圖2 所示。

圖2 傳感器測試電路

■2.2 信號采集放大電路設計

信號采集放大電路主要實現的功能就是對酒精傳感器產生的輸出電壓信號進行收集。所選用的是燃料電池酒精傳感器，其輸出信號為模擬電壓信號。剛開始會將經過模擬電壓輸出的信號放大到儀表放大器AD623 上面；然后，再把其模擬電壓信號傳輸至ADC0809 輸入的模擬數字轉換(A/D)。由一個電源供電，外接電阻后，最大增益可以達到1000 倍的儀表放大器AD623。

儀表放大器選用的是LM339，其類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有一個同向輸入端（用“+”表示），一個反向輸入端（用“-”表示）和一個輸出端。其相關功能操作為：當輸入端輸入電壓高于輸出端輸出值時，對輸出管操作進行攔截，相當于輸出端處于開路狀態；當輸出端輸出電壓高于輸入端輸入值時，輸出管將處于飽和狀態，類似于輸出端接低電平。

由放大器LM339 相關性能可知：若想要前后輸出狀態可以可靠轉化，需兩個輸入端電壓想差大于10mV。由此，該器件應用是比較理想的。

■2.3 A/D 轉換電路的設計

ADC0809 是一款CMOS 工藝8 通道，8 位逐次逼近式的A/D 模數轉換器，可對8 路模擬信號進行分時采集，采集一次數據轉換時間在100μs 左右，一般低于640kHz 的外接時鐘頻率。延時，查詢和中斷是其三種數據采集方式。它們在電路連接和程序編輯這兩方面是有區別的。該設計如圖3 所示。

圖3 ADC0809 轉換電路

■2.4 單片機最小系統

單片機最小系統，或者稱最小應用系統，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對單片機來說，最小系統一般包括：單片機、電源電路、晶振電路、復位電路。

2.4.1 時鐘電路設計

在AT89C52 單片機中，是利用一個反相高增益放大器來作為內部振蕩器。放大器的輸入接口和輸出接口分別對應引腳19 的XTAL1 和引腳18 的XTAL2。放大器的反饋回路中連接石英晶體與電容C1 和電容C2 以此組成并聯諧振電路。

圖4 時鐘電路

2.4.2 復位電路設計

復位在單片機操作過程發揮著重要的作用，是其初始化操作。復位電路的目的：一是在最初時設置到一個所要求的固定的值可以使絕大部分特殊寄存器正確的運行，二是讓它有一個最初工作的起點。因這功能，所以在運行中如因受干擾程序跑飛時常利用這復位把它拉回到正確的運行上來。通電自動復位、按鍵級復位和外部脈沖復位是復位操作的三種方式。據此本次采用了按鍵電平復位方式。如圖5 所示。

圖5 復位電路

2.4.3 AT89C52 單片機處理

AVR、MCS-51、PIC 系列單片機是近些年市場上最常見且普遍使用的。

51 系列單片機具有很鮮明的特點：有良好完備的從硬件到軟件的按位操作系統，能夠進行置位、清零、位傳送、邏輯運算、測試等，功能完善且齊全；并且含有乘法及除法指令，編程更方便。

AT89C52 是51 系列單片機的一個型號，其優良改進是微處理器和flash 存儲器搭配處理，且Flash 存儲器可以反復擦寫，大大地降低了開發成本，資源合理利用。

基于本項目要求的性價比以及所實現功能，選用Atmel公司的AT89C52 單片機。

2.4.4 顯示電路設計

本設計采用LCD1602 液晶屏進行顯示，P2^4 和P2^6端口作為LCD 的RS、RW 和E 的控制終端，PO 端口作為LCD 的D0 和D7 的控制信號。1602 在本設計中顯示設置電壓值、酒精濃度、測量電壓值等信息。

■2.5 報警電路設計

當人體血液中的酒精濃度超過0.2g/L 時，會被AT89系列單片機的P2.4 端口所檢測到。呼出空氣中的酒精含量為47.43ppm 時，酒后駕駛智能鎖定系統將控制報警，給出安全提示。

圖6 報警電路設計

■2.6 繼電器驅動電路設計

當電路檢驗到人體血液濃度不在合理范圍之內時，如果司機打算打開車，此系統中驅動繼電器模塊開關動作，進而強行制止司機酒后駕車。繼電器驅動電路原理圖如圖7 所示。

圖7 繼電器驅動電路設計

3 系統軟件設計

當電源線接入系統或進行復位時，系統程序開始運行。

首先，進行程序初始化，即清零處理。其作用主要為清除全部上次操作存儲數據，用來存放新得到的數據。其次，傳感器檢測酒精氣體，傳遞數據信息。因負載電阻和ADC0809 的模擬輸入端INO 接入，單片機指令模數轉換芯片時，需通過通道0。然后對通道INO 端輸入的采集電壓信號作模數轉換，等待轉換結束。轉換結束時P1.5=1，可讀取數據。最后對轉換的數字信號進行處理，將其與規定的合理范圍值進行比較。若小于，不改變繼電器動作；若大于，結束繼電器動作并禁用，同時報警器模塊將提示駕駛員有進行酒駕傾向。繼而將采集到的數據經單片機處理，轉換成酒精濃度值，進行LED 顯示。

酒后駕駛智能閉鎖系統的軟件設計流程圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程圖

4 仿真調試與結果

為驗證所設計系統的可行性，對系統進行了仿真實驗。

在Windows 10環境下，基于keil uvision3 編譯器基礎上編寫了整個軟件系統，完成對系統軟件匯編語言進行編寫，對STC89C51 進行編程兩大功能。仿真操作在proteus 上進行，編程操作選用keil 軟件，然后對兩者進行聯調，用以實現項目任務。

圖9 酒精濃度未超標系統仿真結果

圖10 酒精濃度超標時系統仿真結果

當整體系統所輸入的電壓值低于2.3V 時，因該電壓值并未達到繼電器使用電壓，所以繼電器開關無相關反應，引擎可以正常啟動，蜂鳴器不會發出聲音。

當整體系統所輸入的電壓值超過2.3V 時，2.3V 已經達到繼電器的使用電壓，繼電器開關不允許打開，禁止引擎電源啟動，蜂鳴器發出聲音，達到提醒駕駛員的目的。

5 結論

本項目由AT89C52 單片機及相關操作模塊構成自動智能的控制系統，可以對汽車發動機進行閉鎖控制。即使干擾情況較小，也可以對傳感器放大的信號進行接收，再對相關電路信號進行識別處理，分類判斷等操作，以此實現對繼電器的操控。該系統可以體現的幾大特點：

(1)該系統就是為了杜絕有以下心理的人群：以為自己沒喝多，大腦沒被酒精麻痹，開車沒事的心理；還有相當多的人就是明知故犯，知道自己喝酒了但是仍然選擇自己開車回家，一點都不慫；也有一部分人是抱著僥幸心理，比如說自己喝完酒時間長了，感覺差不多就上路了，或者是自己知道的一些沒有交警查的鄉村小路，在法律的邊緣瘋狂試探的。

(2)將AT89C52 單片機與燃料電池型酒精傳感器結合，使檢測結果準確，環保且能量消耗小，符合綠色節能發展理念。LED 顯示使結果明了，加上報警提醒使人更加警醒，自行杜絕酒駕。

(3)本項目特地添加了報警系統，利用蜂鳴器的特性對駕駛員要酒后駕駛的行為給予警示，同時告誡同行或者同伴駕駛員又要酒后駕駛的傾向，對這一行為緊急處理及時制止。