汽车防酒驾控制系统设计

桑楠，干为民，周旋，刘帅凯

(常州工学院机械与车辆工程学院，江苏 常州 213032)

0 引言

酒后驾车是导致交通事故的重要原因之一，特别是对于一些恶性交通事故[1-3]。我国从2011年5月1日开始将醉酒驾车纳入刑法处罚。但醉驾入刑是一种事后处罚措施，难以从源头上杜绝酒驾行为。要杜绝酒驾行为还应采取事前防范措施，从汽车的设计上保证酒后不能驾驶汽车，从而避免因酒驾导致的交通事故。

世界各国为预防酒后驾车，从法律上和汽车设计上予以控制。美国和加拿大早在20世纪90年代中期就开始采用呼气酒精点火自动锁止装置，即用酒精锁(Alcolock)来防止酒后驾驶。2012年美国50个州通过法律，驾驶员一旦被发现酒驾，其车上将强制安装酒精锁，否则将坐牢，但酒精锁不是汽车出厂标准配置。瑞典的Saab在2007年推出名为Alcokey的遥控酒精锁，驾驶员必须先进行酒精测试，通过后方能启动发动机，当时价格在400美元左右，成本增加不少，同时使用不方便，也不能在汽车行驶中进行测试，如果作为汽车的标准配置仍需较大改进。Nissan的酒精辨识方案则是在驾驶员上车后，通过位于头枕和排挡杆上的汗液酒精传感器测试驾驶员血液酒精含量，如果超标，排挡杆就一直锁定在P档位置，防止酒后驾驶，该方案优点是汽车行驶中一直进行酒精测试。

唐伟翔、蔡博安把酒精检测和车钥匙结合起来设计了Goodriver酒精钥匙：通过酒精检测车钥匙才会弹出；如果不能通过检测则需要选用呼叫朋友或出租车功能，并可利用车内GPS 定位确切位置[4]。黄世强于2009年申请了“从汗液中检测酒精浓度的禁驾系统”的专利[5]。在国外，据报道美国Martin等开发了贴在人体皮肤上的传感器，通过汗液精确地测量血液中的酒精含量[6]，这种传感器如果能达到实时测量，便可用于防酒驾。

上述防酒驾系统对于遏制酒驾具有较好的实用性，但仍存在一些问题，需要改进。一是如何防止检测时作弊；二是如何防止驾驶员行车途中饮酒；三是如何识别车内其他人饮酒，而驾驶员没有饮酒。

1 防酒驾控制系统工作流程

本控制系统对驾驶员进入车内、发动汽车、行驶整个过程予以连续监控，防止酒后驾驶造成严重事故。其控制流程如图1所示。

图1 防酒驾控制流程图

从驾驶员打开车门开始，先检测车内空气中酒精含量，如合格则直接启动发动机，如不合格则对驾驶员进行酒精含量检测，该步骤是为防止驾驶员未饮酒而车内其他乘员饮酒导致的车内酒精含量超标。

驾驶员酒精含量超标则警告灯闪烁，且系统锁死发动机启动系统和电动油泵，汽车不能行驶，有效防止酒后驾车。驾驶员酒精含量检测合格则启动车辆，进入车内信号检测步骤，检测驾驶员侧车门是否关闭、驾驶位上乘员是否离开、驾驶位上的安全带是否系上等。这些车内信号检测均合格，则之前的驾驶员酒精含量检测才是有效的。如果发动机启动后车内信号检测不合格，表明作为驾驶员进行酒精含量检测的人离开过驾驶位，需重新进入前面的检测程序，以防止驾驶员在酒精含量检测上作弊。

通过车内信号检测的车辆如果长期处于静止状态，车辆将重新进入车内信号检测状态。通过车内信号检测并处于行驶状态的车辆，每隔半小时进行一次车内空气酒精含量检测，合格则继续行驶，不合格则车内警告灯闪烁，以及语音提示酒精含量超标，并将对车辆驾驶员进行酒精含量检测，合格则继续行驶，不合格将锁死启动系统和电动油泵，车辆无法继续行驶。

2 控制系统硬件设计

2.1 防酒驾系统原理

对于车内信号，如座椅、安全带、驾驶员侧车门等状况，直接从汽车ECU(电子控制单元)中提取，用于判断接受测试的人员是否为真正的驾驶员，排除酒精含量检测中的作弊现象。

锁死汽车启动系统和电动油泵是防止酒后驾车的有效措施，因此本文主要考虑防酒驾启动系统的设计。酒精含量检测系统主要采用FX2N系列PLC、FX2N-2AD的模拟量输入模块，另外还有酒精传感器MQ-3及数据显示人机界面HMI。其中PLC是核心部分，作为整个系统的控制处理器。传感器模块负责检测车内人员呼出气体中的酒精含量，并将其转换成所需要的模拟量电流信号。FX2N-2AD的模拟量输入模块功能是把从酒精传感器模块获得的模拟量转换成PLC可操作的数字量，将转换结果发送给PLC。数据显示人机界面HMI负责检测值的设定、报警和实际测量值的显示，当酒精含量超过设定值时亮灯，实现报警功能。继电器控制模块用来控制起动机继电器，防止驾驶员酒后启动，造成事故。

当驾驶员坐到座位上后，酒精含量检测装置启动。当酒精传感器模块检测到酒精气体时，将检测数据发送至A/D转换模块，转化为PLC可以识别的数字信号。PLC根据接收到的信号判断酒精含量是否正常。若不正常，则PLC发出信号，HMI显示屏发出警报，并控制发动机的点火装置以限制汽车的启动。若正常，则汽车正常启动。汽车行驶中，检测装置继续工作，若检测发现驾驶员酒精含量超标，则发出警报[7-8]。

由于汽车副驾驶人员、汽车后排座位人员、汽车内的空气流通都会对系统的检测产生影响，因此本系统采用多传感器对比检测的方法。

在汽车主驾驶座位前方(A区)、副驾驶座位前方(B区)与后排座位中间(C区)各放置1个酒精传感器。如果测得A区酒精含量大于B区酒精含量，同时大于C区酒精含量，并且超过标准含量，则传感器发出警报，并启动继电器断电[9]。

2.2 防酒驾系统方案

本文主要研究的是呼气式酒精含量的检测。防酒驾系统方案如图2所示。

图2 防酒驾系统方案

2.3 传感器模块

呼气式酒精传感器MQ-3具有较好的稳定性、灵敏度、选择性和抗腐蚀性。MQ-3酒精传感器输出模拟电压量，该信号较小，需设计外围电路放大。放大电路采用集成运算放大器LM393。MQ-3与放大器LM393的连接如图3所示。outA脚输出被放大的酒精传感器信号。MQ-3传感器检测到被测气体后，M、N两点间的电阻值发生改变，酒精含量越高，N点的电位就越高，由此经过放大后的电压也就越大[10]。

2.4 A/D转换模块与主控芯片模块

三菱公司FX2N-2AD的模拟输入有电压输入和电流输入供选择：2个模拟输入通道接受0～10 V、0～5 V的电压或4～24 mA的电流。可以调节模拟到数字的转换特性。模块有8个I/O口。使用FROM/TO指令可以便捷地与PLC进行数据传输。本设计的PLC采用FX2N-16MR。

2.5 人机界面HMI模块

人机界面HMI是工作人员与机器设备之间互相沟通的桥梁，多功能显示屏可以根据用户需求，通过文字、按钮、图形、数字等多种形式来管理随时变化的信息。设计中采用上海步科自动化有限公司的Kinco MT4210T人机界面。图4为防酒驾控制系统各模块连接图。

图3 MQ-3传感器与LM399放大器连接图

图4 系统硬件连接图

3 系统软件设计

3.1 软件设计原理

当驾驶员坐到驾驶位置，按下测试按钮X0，系统开始工作，系统将测得的A区、B区和C区数据，经过FX2N-2AD数字量化分别存储到PLC的数据寄存器D10、D20、D30。

为保证测量数据的准确性，系统将20次测试数据取平均值，存储到PLC的数据寄存器D110、D112、D114。

将3个平均值数据分别作比较，如果D110数据>D112数据，D110数据>D114数据，且D110数据>设定值(测试前所设定的酒驾标准)，则判断该驾驶员酒精含量超标，同时蜂鸣器报警，继电器切断发动机引擎电路，不允许汽车发动，人机界面同时文本显示“您的酒精值超标，不适合驾驶汽车”。

如果上述测试条件不成立，那么蜂鸣器与继电器回路不动作，同时人机界面会显示“您的酒精值在安全范围，可放心驾驶”。

3.2 PLC程序的编制

采用GX Developer软件编制三菱PLC程序。PLC程序注释表见表1。

表1 PLC程序注释表

3.3 人机界面HMI

设定酒精值超标的标准，将PLC采样的A区、B区、C区各20次测量平均值在人机界面上显示，如果超标就会弹出警示画面，如果不超标就显示可正常驾驶画面。

4 系统仿真与调试

将系统按接线图完整接线，制作PLC与人机界面之间的串口通信线，然后送电，将编程口旁的小开关拨至RUN的位置，运行灯由暗变亮。打开所编制过的PLC工程文件，选择菜单栏里的【在线】—【PLC写入】，这时弹出通信界面窗口，选择所需要的通信参数(FX2N选择默认)，点击窗口中的通信测试，显示FX2N通信成功，表明已经连接上了PLC。

这时点击【确定】按钮，弹出下载工程的菜单栏，勾选要下载到PLC中的内容，点击执行按钮，窗口会提示“是否执行远程STOP操作后，执行CPU写入”，点击“YES”。

然后软件会将所编写的程序输入到PLC中，最后会提醒是否执行远程运行，点击“YES”，这时软件弹出已完成的提示框，表示程序已经下载成功。

在编辑好的人机组态画面，点击菜单栏上的【工具】，选择第一个选项，然后kinco软件会在编译信息窗口提示编译完成，0错误，0警告。

再选择【工具】菜单，选择下载，软件弹出需要下载的项目类。选择项目之后，选择下载，这时会看到下载的进度条一直往前移动(下载前一定要先把USB驱动装上，系统中的HMI为USB口传输模式)，待进度条走完以后，可以看见HMI 中已经有我们编辑过的工程画面了。同时，注意HMI上的COM指示灯是否快速闪动：如果是，则表示这时HMI已经与PLC通信成功；如果不是，则表示通信没有连接上，HMI上会以英文显示PLC没有响应，这时需要重新检查通信电缆的连接是否正确，设备之间的通信参数是否合理。

至此，所需要的程序已经全部输入到相应的设备中。将GX Developer软件打开，选择在线菜单中的监视模式，所有的数据内容均可在计算机屏幕中显示出来。这时，可以在HMI中设置酒精测试标准值。

在车内无酒精环境下进行测试，点击运行按钮X0，会显示酒精含量为0，然后弹出绿色画面显示“您的酒精值在安全范围，可放心驾驶”。

在驾驶员酒精含量超标的情况下测试，HMI也会显示相应的酒精含量值，并会弹出黄色报警画面：您的酒精值超标，不适合驾驶汽车。

表2为系统模拟试验部分结果，表明该系统能有效识别驾驶员酒驾。

5 结论

本文对防酒驾控制系统进行了设计，通过对车内信号的检测判断是否为驾驶员本人进行的酒精测试，同时在车辆行驶过程中对驾驶员酒精含量进行监测，当驾驶员酒精含量超标时通过锁死车辆启动系统和电动油泵，实现防止驾驶员酒后驾车。

表2 系统在环仿真结果