基于STC89C52RC单片机的防酒驾系统的设计与研究

杨森，李月娥，张翀昊

（1.山西大学商务学院，山西 太原 030031；2.山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

0 引言

随着公路运输业的发展，道路交通安全越来越引起重视，尤其是酒驾引发的交通事故。国家自2011年5月1日起将醉驾定为“危险驾驶罪”，并追究驾驶者的刑事责任［1］；同时交管部门不断加大公路管控，严厉处罚酒后驾车行为，但仅从法律和行政角度并不能完全杜绝醉驾的发生。针对人为因素引起的交通安全问题，车辆主动安全技术已经成为研究热点。从车辆的主动安全入手，设计一款能够自动检测酒精、人性化的“防酒驾”车载系统越来越收到关注。

目前国内外很多汽车生产企业都在积极研发“防酒驾”系统。意大利一研究所研发“酒精钥匙”来防止酒驾，但并非将“酒精钥匙”与汽车钥匙集合在一起，而是独立与汽车相连，同时与卫星导航系统整合，以更好地达到监控目的［2］。日本的一家车企借助传感器和视频装置，采集车内的酒精气味，结合驾驶员的身体机能状态，判断其是否酒驾或疲劳驾驶［3］。美国一家公司设计一款具有防酒驾功能的新型手机，利用手机采集酒精信息，传输到远程电脑，并进行预警［4］。目前“防酒驾”系统的研究，基本都是借助传感器采集酒精气味，判定酒精含量是否超标，进而影响汽车引擎电路［5－9］。但这些都需要乘车前专门操作设备来测量酒精浓度，而且使用卫星监控，判断驾驶者行为姿态等一系列数据来预防酒驾，这样不仅系统复杂，而且成本极高。

为了克服上述现有技术的不足，设计的系统提供一种精简有效且价格低廉、设计人性化的具有自动检测、报警功能的防酒驾系统，能适应多种复杂环境，体积小、功耗低，便于安装；同时全程语音提示，在酒驾发生时向车主亲友发送警告短信；且操作简便、扩展性强、安全可靠、成本低廉。

1 系统硬件设计

1.1 系统功能需求

通过由单片机控制的系统来检测酒精，并进行酒驾警告，将系统安装在汽车上，自动检测、智能化、人性化程度高、功耗低，能有效预防酒后驾驶行为，从而减少交通事故的发生，弥补交通稽查工作的不足与疏漏。结合实际情况，确定系统基本实现如下功能。

（1）驾驶员酒后一旦进入驾驶室，系统自动启动并使车辆点火开关处于断电状态。

（2）系统语音提示驾驶员已经饮酒，车辆无法启动；如果驾驶员执意要进行酒驾，系统自动向车主亲友手机发送预警短信。

（3）当非饮酒人进入驾驶室，车辆启动电路自动正常打开，车辆可以启动。

1.2 系统硬件设计

本系统主要由电源模块、酒精检测模块、红外感应模块、单片机模块、语音模块、LCD模块、继电器驱动模块、GSM模块等组成，如图1所示。系统整体分为上下两部分，上部主要集成用来进行数据收集和信息显示的模块和元件，下部主要集成GSM通信电路和单片机控制电路，如图2、图3所示，防酒驾系统完整实物如图4所示。

（1）酒精采集模块：MQ－3酒精传感器模块包含传感器探头与调整电路，主要采集酒精。（2）红外感应模块：将红外线传感器采集到的模拟信号转化成数字信号供单片机使用。

（3）单片机模块：单片机对采集模块回传的数据信息进行分析，控制功能模块实现相应功能。

（4）继电器驱动模块：单片机将信号通过下拉电阻后，经过三极管使继电器通电闭合从而切断车辆启动电路。当浓度低于标准值时，会自动恢复。

（5）语音模块：对于酒精是否超标有对应的语音提示。

（6）GSM模块：酒精浓度超标，驾驶员执意要进行酒驾时，系统自动向车主亲友手机发送预警短信。

MQ－3酒精传感器与人体红外感应装置安置于驾驶舱上方，这样在驾驶员进入座位时即可开启系统，若驾驶员饮酒，则其呼出的气体中的酒精蒸汽会向上流动，这样可使MQ－3传感器有效的检测到酒精，也可防止其他乘客饮酒使得车辆无法启动的情况发生。按键、电源开关、显示器和语音模块集成在上部，可以清晰地看到系统的动态信息。语音模块的输出端通过3.5mm的音频线连接到车辆的音响设备上，这样就可以实现语音的实时提醒。

单片机和GSM模块属于整个系统的核心部分，放置于下部，可以很好地保护其不受损害，增加了使用寿命；同时GSM通信模块天线在整个设备的后面，没有被上部遮盖，这样很好地保证了通信质量。整体设计增强了系统硬件结构的稳定性，对复杂路况有很好的适应性。

2 系统实现的部分模块

2.1 MQ－3酒精传感器

MQ－3酒精传感器是一种二氧化锡半导体型气体传感器，对酒精反应具有较高的灵敏度和快速响应。当传感器采集到酒精后，通过“燃烧”引起电阻变化，检测的酒精浓度越大，输出的电压越高。

Fig.1 Schematic block of system hardware图1 系统硬件原理框图

Fig.2 Hardware upper part of the structure图2 硬件上部分结构图

利用MQ－3酒精传感器在空气中对乙醇气体的灵敏度特性，设计酒精检测电路，在检测电路中电阻元件的阻值随着乙醇气体浓度的增加而减小，如图5、图6为酒精采集模块原理图及酒精采集模块实物图。

不同的车辆在不同的季节和天气条件下，驾驶舱内的温度湿度不同，会导致系统酒精检测的灵敏度产生偏差。因此使用MQ－3传感器时，灵敏度的调整是很重要的。图7显示MQ－3型气敏元件的温度湿度特性，借此可利用专业的乙醇蒸气校准传感器，通过调节MQ－3传感器模块上的灵敏度调节旋钮调整系统的灵敏度，以适用不同的环境需求。

2.2 GSM通信模块

为了使系统更加人性化，提高安全预警系数，系统特设计无线预警功能，即通过通知驾驶员亲人的方法，让其家人参与阻止酒驾行为。例如，在系统检测到驾驶员饮酒后，系统会通知驾驶员亲人，告知其驾驶员在酒驾，则此时被通知人即可电话联系驾驶员，劝阻其进行酒驾，更有效地防止酒驾危险行为的发生。

（1）GSM通信模块的选择

Fig.3 Hardware underneath part of the structure图3 硬件下部分结构图

Fig.5 Alcohol acquisition module principle图5 酒精采集模块原理

Fig.6 Alcohol acquisition module kind图6 酒精采集模块实物图

Fig.7 Characteristics of temperature and humidity sensor MQ－3图7 MQ－3传感器的温度湿度特性

为了可以远程通知他人，在设计之初考虑到的方案有wifi通讯、蓝牙、3G、4G通信技术等，但是由于WiFi与蓝牙的通信距离太短，而WiFi热点并没有做到大面积完全覆盖，3G、4G网络在某些偏远地区还未架设网络；而GSM经过长时间的使用，技术应用以完全成熟，且基本做到了全球覆盖，通过短信通知的形式，无论驾驶员与被通知人相距多远，都能及时地将警告信息送达，可以很好地保证通信质量。因此系统设计决定采用GSM通信手段，通过短信来进行信息传送。

（2）GSM通信接口设计

GSM通信模块主要涉及AT指令和Unicode编码［10］。本模块只识别Unicode编码，在短信发送时需要将汉字转化成Unicode码，再将编码由单片机通过串口传送给模块，进而发送短信。

GSM通信模块在与STC8592RC单片机进行通信时，使用RS232选择接口［11］。其中：

1）STXD和SRXD是SIM900A的数据通信串口，默认发送的AT指令以及数据等都是通过这两个端口的；

2）DTXD和DRXD是调试串口，主要是软件升级时使用；

3）RTXD和RRXD是RS232串口，经过SP3232芯片转换后的串口端口。

STXD和SRXD端口可以进行兼容性处理，支持LVTTL电平（即3.3V／5V）的单片机系统，可以直接将STXD和SRXD与单片机系统的RXD和TXD连接，实现与SIM900A的通信。因此系统设计直接使用STXD和SRXD与单片机连接。

（3）GSM通信编码设计

1）通信内容编码

系统设计所需的短信内容为：“您好，车牌号为XX的车辆发生酒驾行为，望您及时劝解防止危险发生！”对应的Unicode编码为：

2）通信手机编码

手机号码涉及的码元有“0～9”，因此需对0至9数字进行Unicode编码处理，以下为0至9对应的Unicode编码，如表1所示。

表1 手机号码编码Table 1 Code of mobilephone number

3 系统软件设计

当驾驶员进入驾驶舱时，人体红外感应器检测到人体存在，向单片机1发出低电平，单片机1开启系统开始检测酒精浓度。若无酒精，单片机1控制继电器打开，使得车辆点火开关电路正常导通，音响设备提示“没有发现酒精，可以启动”，液晶显示器显示“you can drive”字样，此时即可用车钥匙正常启动车辆。若检测到酒精，则单片机A1控制语音装置5发出警告：“警告！发现酒精，车辆进入自锁程序”，液晶显示器显示“Warning！You drink wine！”，继电器会将车辆点火开关电路断开使车辆无法启动，同时单片机1会通知单片机2利用GSM通讯装置向车主亲友的手机号码发送短信“您好，车牌号为XX的车辆发生酒驾行为，望您及时劝解防止危险发生！”。5s后系统会语音询问：“是否更换驾驶员？”此时，按下左按键确认，单片机1会对新的驾驶员进行检测，按下右按键则系统锁定，车辆将不会被启动。系统流程如图8所示。

Fig.8 System flowchart图8 系统流程图

4 系统测试

系统测试主要用来检验系统的实用性以及存在的问题。为达到测试效果，设计了一个专用的测试平台，分为主控、音响、模拟和感应区四个区域，用来模拟系统所处环境，以便更好地呈现实际应用效果，模拟环境结构如图9所示。

（1）模拟区：用来模拟车辆的“点火”开关电路，若车辆可正常启动时，模拟区的直流电机会转动，表示车辆启动。

（2）感应区：用来模拟驾驶员进入驾驶舱时，系统进行检测的动作。

（3）主控区：本系统的核心控制部分。

Fig.9 System Test Platform图9 系统测试平台

（4）音响区：用来播放警报音和提示音。

4.1 系统模块功能测试

通过系统设计的测试平台，针对系统硬件供电不稳、按键不灵、检测不灵敏、通信干扰等问题，采用了合适的解决方案；同时对系统的酒精检测、红外感应、语音报警、GSM通信、LCD液晶显示等功能模块进行综合测试，如表2、表3所示。

表2 系统模块功能验证Table 2 System Module functional verification

表3 酒精检测和GSM通信成功率Table 3 Alcohol test and GSM communication success rate

通过仿真环境测试，可以看出系统酒精检测和发送预警短信的成功率较高，实现了系统自动检测酒精、报警功能的预期效果，表明系统在酒驾发生前进行预警，在一定程度上可以降低交通事故隐患。

5 结语

通过对系统功能以及软件工作流程的研究，基本实现了系统的设计要求。系统在运行时，全程具有语音提示；在检测到驾驶员饮酒时，系统利用GSM通信模块向车主亲友发送短信预警，让家人参与防止酒驾，设计更加人性化，更大程度地提高了系统的安全系数和防止酒驾的有效性。同时系统预留一定数量的I／O接口，具有很强的扩展性，可以加装一些车辆辅助系统，如GPS定位、车速检测、海拔测量、温度、湿度显示等功能［12－13］。

系统可以直接用于车载，从主动安全角度出发，禁止酒后驾驶人员启动汽车引擎，在酒驾发生前进行预警，对预防酒后驾车具有很好的效果，从而减少交通事故的发生，弥补了交通稽查工作的不足与疏漏，具有很强的使用价值和社会意义。

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