基于PLC的车载酒精检测智能机械手系统设计

（海南大学机电工程学院，海南 海口 570228）

酒后驾驶是当今死亡人数最多的一项交通事故，为了进一步的减少驾驶员酒后驾驶的概率发生，必须从源头进行控制和限制。目前国内外已经研制出车载检测仪器，有驾驶室酒精检测仪、一体化汽车酒精锁与人脸识别加图像存储测试仪、皮肤血管酒精检测仪和激光酒精检测仪及控制装置[1]-[2]，这些系统都有漏洞，其主要表现在检测误差大、成本高、自动化程度不高以及部分检测技术还相对不太成熟。基于此，本研究团队设计了一套车载机械手智能酒精检测系统，将机械手与酒精检测创新的结合在一起，同时也达到了自动化的要求。同时本系统采用了可编程控制器(PLC)进行数字运算操作的电子控制装置。PLC具有结构简单、性能好、易于编程、灵活通用、可靠性高等一系列特性而广泛用于工业控制系统。该系统一方面能够由机械手自动送达酒精检测仪器靠近驾驶人员口鼻附近，达到近距离检测效果，另一方面该系统在满足酒精检测要求的前提下也不需要大规模的改装汽车，只需要在驾驶员后背安装该装置就能达到检测效果。因此该系统的提出将是汽车酒精检测的一大进步[3]-[5]。

1 智能检测系统原理及方法

1.1 检测原理

本研究是根据机械手与酒精检测相结合设计一套车载酒精检测系统，其工作原理：当驾驶员打开车门进入驾驶室并坐下时，驾驶员的背部靠在后背椅上，并碰到智能机械手压力开关，此时智能机械手开始启动（智能机械手嵌在驾驶员后背椅的顶部的左侧面）。首先主臂1向x轴旋转90度，小臂2绕z轴旋转90度并根据驾驶员的身体宽度自动调节长度，然后小臂3在沿z轴旋转270度运动到接近口腔的一定位置附近，在小臂3上装有酒精检测仪器并经过传感器控制汽车是否点火。

其中该套机械手布置示意图如图1所示。

图1 机械手布置示意图

1.2 检测系统的工作流程

该系统的智能机械手运动工作流程如图2 所示。

图2 系统流程图

2 检测系统的设计

2.1 酒精检测智能机械手设计

该酒精检测智能机械手设计如图3所示。其主要有四部分组成主臂1、小臂2、小臂3以及酒精检测仪组成。

图3 机械手示意图

该机械手能够运动到司机一定位置处，并进行酒精检测，如果检测到有酒精存在则立即切断点火线路，因此汽车无法行驶，从而避免了因醉酒导致的意外交通事故的发生，如果未检测到酒精的存在则机械手自动折叠回缩到司机后座的固定槽内。

2.2 硬件部分设计

该系统的硬件部分选用三菱 FX2N系列晶体管输出型PLC，其中机械手臂旋转选用SH-20403型模块步进电机驱动器。检测机械手的外部接线图如图4所示。

图4 机械手外部接线图

机械手在未启动时，嵌在司机后座上椅左旁沟槽内。当人体坐在该座位上时，机械手开始工作。X1～X8是该机械手自动伸展开与回缩的限位控制开关。X9是司机人为手动按钮开关，按下该按钮可以进行 X10～X15对应进行手动调试操作。X16是酒精检测仪的限位前段气体检测开关，X17是检测酒精内部控制限位开关。在机械手里面装有步进电机，该步进电机只有在有脉冲信号(Y0)时，将脉冲信号(Y0)输送到Y1（控制主臂旋转），同理将信号输送至Y2、Y3、Y4。Y5控制酒精检测，Y6控制点火电路的切断模式。

2.3 软件设计

酒精检测智能机械手系统在选择手动或自动前，系统则是处于手机驾驶座位椅的侧槽中。如果是自动检测方式，该工作的顺序动作为以下操作：主臂1旋转展开限位X1→小臂2旋转展开限位X2→小臂2伸展限位X3→……→小臂1回收限位X8。

该系统的机械手自动工作方式的顺序功能图如图 4所示。其中智能机械手主臂1、小臂2、小臂3的旋转是由输入步进电机的脉冲频率控制，脉冲频率和脉冲数可以司机实际情况在程序中设定，具有可重复检测性。

图5 自动运动方式顺序功能图

本系统使用了PLC梯形图顺序编程的方法。该编程方式简单、修改方便。当每完成上一个步骤就开始动作下一个操作，从而依次顺序进行，当完成后则停止其中一个限位开关，则该自动检测系统停止工作。从而能够实现机械手的自动伸展，酒精的自动检测。

2.4 机械手部分参数

主臂1旋转角度：900

主臂1臂长：10.5cm

小臂2旋转角度∶900

小臂2的基本长度：21cm

小臂2伸出长度：38cm

小臂3旋转角度：2700

小臂3臂长：15.5cm

经检测智能机械手设计如图3所示。其主要有四部分组成主臂1、小臂2、小臂3以及酒精检测仪组成。

3 总结

（1）设计了一套智能机械手检测酒精的系统，具有自动化检测的效果，并从硬件与软件的设计使该系统得以实现。

（2）该系统的成本低，不需要大量的改动车内结构。并且将机械手与酒精检测相结合在检测领域是一大创新，该系统的设计对车载酒精检测具有一定的影响意义。

[1]卢玲,胡记,文徐亮.基于酒精含量检测的车辆限制启动系统[J].科技论坛,2010(11)17.

[2]徐乐乐.新型红外酒精检测仪面世[J].科技前沿.2006.(7)51.

[3]马圣乾,等. 车载即时测健康防酒驾智能检测器的设计[J].泰山学院学报.2011.5(33):80-83.

[4]陈新亚.汽车为什么会“跑”,图解汽车结构与原理[M].北京:机械工业出版社,2009.

[5]麻友良.汽车点火系统原理与故障检修实例[M].北京: 机械工业出版社,2010.