任建鵬++李勤

摘 要：隨著人民生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車的保有量屢創(chuàng)新高，使我們的道路安全問題面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了避免由酒駕引起的交通悲劇，設(shè)計(jì)一種智能電路來檢測駕駛員體內(nèi)的酒精含量并且能夠及時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火是非常有必要的。本系統(tǒng)采用前后雙MQ-3酒精傳感器自動(dòng)進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，由單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理并顯示。

關(guān)鍵詞：防酒駕；酒精檢測；單片機(jī)；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0016-02

1 概述

隨著人民生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車的保有量屢創(chuàng)新高，使我們的道路安全問題面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計(jì)，全球每年有120多萬人死于交通事故，這也是說平均每20秒就有一人死于交通事故，其中大約有50%-60%的交通事故與酒后駕駛有關(guān)。酒后駕駛已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織列為車禍致死的首要原因。為了避免交通悲劇的發(fā)生，設(shè)計(jì)一種智能電路來檢測駕駛員體內(nèi)的酒精含量并且能夠及時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火是非常有必要的，同時(shí)還要排除車內(nèi)其他人員因喝酒對設(shè)備檢測的干擾，從而更加的合理、簡便和人性化。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 智能防酒駕控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

智能防酒駕控制系統(tǒng)電路主要由酒精檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、STC89C52單片機(jī)控制模塊、語音報(bào)警模塊和光電報(bào)警模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火模塊及電源電路組成，系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.2 智能防酒駕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的工作原理：由車內(nèi)駕駛位和右后座位的兩個(gè)MQ-3酒精傳感器來測量飲酒后車內(nèi)駕駛員位置以及后座位置的酒精濃度，輸出相應(yīng)的電壓信號，經(jīng)過放大器放大處理后，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳入單片機(jī)，最后由單片機(jī)通過對數(shù)字信號的處理來顯示酒精濃度，經(jīng)過單片機(jī)的邏輯判斷處理，根據(jù)檢測到的酒精濃度和標(biāo)定值進(jìn)行比較，如果駕駛位上酒精傳感器檢測的酒精濃度大于后座檢測到的酒精濃度并且超過標(biāo)定值，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并且通過控制繼電器使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持熄火狀態(tài)；如果駕駛位上酒精傳感器檢測的酒精濃度遠(yuǎn)小于后座檢測到的酒精濃度且低于標(biāo)定值，則系統(tǒng)會(huì)保持待機(jī)狀態(tài)，可以點(diǎn)火啟動(dòng)汽車；如果駕駛位上酒精傳感器檢測的酒精濃度小于后座檢測到的酒精濃度但高于標(biāo)定值，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入重新檢測，對駕駛?cè)藛T體內(nèi)的酒精濃度進(jìn)行更加準(zhǔn)確檢測，要求駕駛?cè)藢凭珎鞲衅骱魵?，從而控制汽車電機(jī)的啟動(dòng)工作。整個(gè)系統(tǒng)完全自啟，自動(dòng)對車內(nèi)的酒精濃度進(jìn)行檢測，不需要任何的人為操作從而實(shí)現(xiàn)簡單方便，并且防止酒后駕駛的行為。在檢測結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)在行駛過程中出現(xiàn)更換駕駛?cè)?，而更換后的駕駛?cè)颂幱诰坪篑{駛情況，酒精傳感器就會(huì)檢測出酒精濃度超標(biāo)，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，同時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警；而因?yàn)槌霈F(xiàn)駕駛?cè)孙嬀七^少，初步檢測使酒精濃度過低使得可以汽車正常行駛，但隨著行駛的時(shí)間變長，由于車窗緊閉使得酒精濃度逐漸上升從而超標(biāo)，也會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，同時(shí)產(chǎn)生聲光報(bào)警。

3 硬件的選擇

3.1 酒精傳感器的選擇

我國對酒后駕駛的標(biāo)準(zhǔn)是血液中酒精含量超過20毫克/百毫升即為酒后駕駛，80毫克/百毫升即為醉酒駕駛。而在檢測過程中系統(tǒng)檢測到駕駛位酒精濃度（BrAC）與血液中酒精濃度（BAC）存在一定比例關(guān)系，當(dāng)檢測到酒精濃度超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并且使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。為了避免檢測出現(xiàn)誤差，選擇一個(gè)性能較強(qiáng)，性價(jià)比高的酒精傳感器是十分有必要的。

酒精傳感器是將探測到的酒精濃度轉(zhuǎn)換成有用電信號的器件，而酒精傳感器在本系統(tǒng)中是或不可缺的一個(gè)元器件。通過市場上使用的酒精傳感器的進(jìn)行比較，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，對汽油、煙霧、水蒸氣的抗干擾能力強(qiáng)，由簡單的驅(qū)動(dòng)電路連接即可使用，因此在本系統(tǒng)中選擇了MQ-3酒精傳感器。MQ-3氣體傳感器所使用的氣敏材料是在空氣中電導(dǎo)率是較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器隨著所處環(huán)境中酒精蒸汽的增加，傳感器的電導(dǎo)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(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。

MQ-3型酒精傳感器由陶瓷管、二氧化硅敏感層、測量電極以及加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件的工作提供了必要的工作條件。封裝的氣敏元件中包含有6只針狀管腳，其中4個(gè)管腳（兩個(gè)A 和兩個(gè)B）用于信號讀取，兩個(gè)H腳用于提供加熱電流。

傳感器主要由兩部分回路組成：其一是傳感器加熱回路；其二為傳感器信號輸出回路，它可以精確反映傳感器表面電阻的變化。傳感器表面電阻RS的變化，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號VRL出面獲得的。二者之間的關(guān)系表述為：RS/RL=（VC-VRL）/VRL，其中VC為回路電壓10V。負(fù)載電阻RL可調(diào)為0.5～200K，加熱電壓Uh為5V。這些參數(shù)使得傳感器輸出電壓為0～5V。傳感器阻值變化率與酒精濃度、外界溫度的關(guān)系慎密，為了使測量的酒精濃度最高誤差最小，需要找到合適的溫度，一般在測量前需將傳感器預(yù)熱5 分鐘。

3.2 單片機(jī)的選擇

選用STC89C52芯片，該芯片是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，片內(nèi)有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除、快速寫入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間更是長達(dá)十年，此屬于芯片功耗較低，全靜態(tài)工作，擁有8K字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，單芯片具有靈巧的8位cpu和系統(tǒng)可編程Flash。單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能，完全能夠滿足系統(tǒng)需要，為系統(tǒng)提供高效率的信號處理。

STC89C52能夠構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，從而縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于4K，四個(gè)I/O口全部提供給用戶。該系統(tǒng)可以用5V電壓編程，而且擦寫時(shí)間僅需10毫秒，僅為8751/87C51的擦除時(shí)間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。工作電壓范圍寬（2.7V～6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在0Hz～24MHz之間，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有靈活性，系統(tǒng)能快能慢。STC89C52芯片提供三級程序存儲(chǔ)器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。P0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯ν獠看鎯?chǔ)器的讀/寫操作。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，被測量對象的有關(guān)變化量，如溫度、壓力、流量、速度等非電物理量，一般要經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號（電壓或電流），這些模擬電信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機(jī)中用軟件進(jìn)行處理。能夠完成模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）。

在本設(shè)計(jì)中選用的是A/D0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這是一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片、工作頻率為250KHz的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 32μS、輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容、5V電源供電時(shí)輸入電壓在 0～5V之間，由于它體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高因而得到廣泛使用。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)

對于單片機(jī)的編程來說，程序編寫語言比較常見的有C語言、匯編語言。匯編語言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。C語言編寫的程序比用匯編編寫的程序更符合人們的思考習(xí)慣，且具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植。

本系統(tǒng)的控制程序采用C語言進(jìn)行編寫，主要包括系統(tǒng)初始化程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序、數(shù)據(jù)處理程序、語音報(bào)警、光電報(bào)警與發(fā)動(dòng)機(jī)熄火程序。

系統(tǒng)控制程序的工作過程如下：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)系統(tǒng)開始初始化，MQ-3酒精傳感器自動(dòng)檢測車內(nèi)駕駛位和后座的酒精濃度，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行酒精濃度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)行酒精濃度數(shù)據(jù)處理，判斷前后酒精濃度大小，同時(shí)判斷駕駛位酒精濃度是否超標(biāo)，若駕駛位酒精濃度較大并且超標(biāo)，則使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警、轉(zhuǎn)向燈閃爍；若駕駛位酒精濃度較小但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)，則使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警、轉(zhuǎn)向燈閃爍；若駕駛位酒精濃度較小且剛超過標(biāo)準(zhǔn)值，則對駕駛位重新進(jìn)行精確測量，并再次判斷酒精濃度是否超標(biāo)；若駕駛位酒精濃度較小且未超過標(biāo)準(zhǔn)值，則允許發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同步檢測車內(nèi)酒精濃度。

4.2 系統(tǒng)程序整體流程

系統(tǒng)程序主要完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、聲光報(bào)警等功能。軟件通過酒精傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值與標(biāo)定值比較判斷駕駛員的飲酒情況，從而系統(tǒng)在進(jìn)行下一步判斷，系統(tǒng)程序整體流程圖如圖2所示：

5 結(jié)束語

利用前面各部分設(shè)計(jì)，制作基于單片機(jī)的防酒駕智能控制系統(tǒng)，改變目前市場已有的被動(dòng)式——需要駕駛者主動(dòng)向酒精傳感器呼氣，經(jīng)檢測合格后方可正常啟動(dòng)的方式，研發(fā)出新型的主動(dòng)式——系統(tǒng)自啟動(dòng)雙向檢測酒精濃度，簡化操作步驟，提高檢測的準(zhǔn)確度，且杜絕駕駛?cè)巳藶槎惚軝z測從而酒駕的可能。智能防酒駕控制系統(tǒng)價(jià)格低廉且穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)，檢測的準(zhǔn)確性高，該系統(tǒng)的推廣可以有效的降低酒駕帶來的危害，給道路交通帶來了一定的安全性，同時(shí)它的出現(xiàn)可以在一定程度上緩解交管部門的壓力。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬隆.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]俞阿龍.傳感器原理及其應(yīng)用[M].南京：南京大學(xué)出版社，2010.

[3]梁集賢，楊青，荊瑩.駕駛員血液中酒精濃度（BAC）與交通事故相關(guān)性研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2007，4（5）：63-65.

[4]孟慶宇，祝玲，李鑫，等.語音防酒駕設(shè)計(jì)方案[J].電子世界，2015，11.