基于单片机的智能防酒驾装置设计

丁亚东，熊刚

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

大约50%～60%的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因[1]。在中国，每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起；酒后驾车的危害触目惊心，已经成为交通事故的第一大“杀手”。基于此，本文将充分结合酒精浓度检测的实际需求，介绍一种智能防酒驾装置，以交通法规定的酒驾阈值进行精确的检测，在发现酒驾的第一时间发出报警和禁止车辆启动，力求将酒驾扼杀在摇篮之中。

1 总体设计

装置包括数据采集模块、数据转换模块、数据中心处理模块、信息显示模块、报警模块等部分，总体设计方案如图1所示。装置工作时监测车内各座位酒精浓度含量，司机位的参数已按交通法规定的酒驾及醉驾浓度含量标准进行了阈值设定，当检测到司机酒精浓度阈值超标后系统会马上进行声光报警,同时设备屏幕上会显示出相应的酒精浓度含量，并且执行设备动作，切断车辆启动系统电源，禁止车辆启动,其他记录系统分别进行了阈值设定。当其中一位或多位酒精浓度含量超过阈值后，设备屏幕会进行超标提示，但不会发出报警声音。

图1 系统总体方案框图

2 系统硬件设计

2.1 数据中心处理单元

系统使用STC12C5A60S2单片机作为核心处理器，负责将传感器采集到数据以及数据转换单元的数据进行运算处理，经处理后控制TFT液晶屏进行显示，当采集到的酒精浓度值超过报警阈值后进行声光报警；系统设计时将单片机PO口作为液晶屏数据口，P2.0为A/D转换芯片的SDA控制口，P2.1为A/D转换芯片的SCL控制口，P2.2为SD卡的CS控制口，P2.3-P2.7均为液晶屏控制口，P1.0-P1.3为传感器的数字量采集控制口，P1.4、P1.5为系统预留按键控制口，P1.6、P1.7分别为SD卡的MISO和SCK控制口，P3.0、P3.1分别为系统的RXD和TXD程序下载口，P3.2为红外遥控器控制预留接口，P3.3为SD卡的MOSI控制口，P3.4为声光报警控制接口，P3.5-P3.7均为系统功能扩展预留接口，在系统电源管脚上并联一个0.1UF去耦电容，可使系统不受高频尖刺波形的干扰以提高系统工作的稳定性和可靠性[2-5]，数据处理单元电路原理图如图2所示。

图2 数据处理单元原理图

2.2 数据采集单元

数据采集单元为整个系统提供准确稳定的基础数据，并实时监视着整个环境的参数变化，同时将数据传输给A/D转换器件，本装置采用MQ-3酒精传感器模块进行酒精浓度的监测。MQ-3酒精传感器模块主要由ZYMQ-3气体传感器和LM393电压比较器构成，ZYMMQ-3气体传感器负责采集气体中的酒精含量并以电压值输出，LM393电压比较器负责将传感器采集到的电压值与电位器设定值比较，并将比较结果以数字量输出。模块可同时输出一路模拟量及一路数字量信号,调节电位器可控制数字量信号输出的阈值，基于传感器模块的这一特点，系统在进行软件设计的时候加入了硬件抗干扰，可有效滤除系统工作中的干扰数据，提高工作效率。

2.3 数据转换单元

系统采用PCF8591进行A/D转换，该器件通过成熟的I2C总线来保证将传感器的数据及时稳定地传输给CPU。其功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位数模拟转换[6-9]。芯片可支持四路模拟量同时输入，具体电路如图3所示。

图3 数据转换单元原理图

2.4 信息显示单元

本系统以TFT240×320液晶屏作为信息显示单元，负责将CPU处理的各类数据显示，包括酒精浓度显示，报警显示，制作单位显示，产品名称显示，欢迎logo显示等，设计采用TFT彩屏的8位数据口显示，同时支持SD卡图片载入功能，显示效果佳，TFT液晶屏与单片机的接口电路如图4所示。

2.5 电源模块

由于系统酒精监测采样有模拟量输入及数字量输入两种方式，控制回路电路均为数字量I/O，故在系统供电单元采用双电源供电的设计方式以实现模拟电路和数字电路之间的隔离，确保系统工作的稳定可靠，同时系统供电单元的设计为适应各类车型的不同电压差异特别做了特殊适应处理，不同车系的电瓶供电电压各不相同，大致分布在12 V～24 V之间。本系统设计了1个宽电压供电输入电路，可支持DC9～36 V供电，并且为采集电路和控制电路分别进行了独立供电设计，在电路中加入了反接保护功能，可有效防止使用中的误操作。主控电路可在DC9～36 V输入范围之内保持输出固定在DC 5 V/1 A，电路如图5所示。酒精采样电路(模拟电路)使用LM2596-5.0

图4 信息显示单元原理图

图5 主控电路供电原理图

图6 酒精采样电路供电原理图

3 系统软件设计

依据系统功能按照结构化程序设计的思想，系统总体软件设计框图如图7所示。

图7 系统总体软件设计框图

3.1 主模块设计

主模块主要实现的功能有SD卡的初始化，TFT液晶屏的初始化，酒精浓度采集并送显示，主驾驶位酒精浓度阈值判断，副驾驶位酒精浓度阈值判断，后座位左酒精浓度阈值判断，后座位右酒精浓度阈值判断。主模块的程序流程图如图8所示。

图8 主模块程序流程图

3.2 SD卡模块设计

在单片机上SD卡以SPI模式运行，本设计在SPI模式下仅需完成SD卡的初始化和读SD卡操作即可完成功能设计，同时在SD卡程序模块中包含了程序调用所需的图片显示子函数，通过特定图片地址查看软件获取放入SD中的图片地址，程序运行中只需调取相应的图片地址并检测是否写到屏幕边缘即可完成一张图片的显示。读SD卡流程如图9所示。

图9 读SD卡流程图

3.3 液晶屏显示模块设计

液晶屏显示初始化主程序包括控制器初始化子函数、汉字字模调取子函数、字符串转换子函数以及清屏子函数等组成。模块中主要完成了对液晶显示屏的初始化，后续在此基础上进行局部清屏或者全屏清屏后使用字符串转换子函数可显示所需内容，液晶屏初始化流程图如图10所示。

图10 液晶屏显示初始化主程序

3.4 酒精浓度采集模块设计

酒精浓度采集以I2C总线通信方式将传感器采集到的酒精浓度数据传输至单片机，然后将数据处理后送液晶屏指定位置显示，同时还结合MQ-3传感器模块的特性，做了抗干扰处理，当被采集浓度达不到传感器采集的触发值时(触发值可由硬件进行调整设置)，模拟量不进行采集工作，酒精浓度采集模块流程图如图11所示。

图11 酒精浓度采集模块

3.5 报警模块设计

报警模块设计时采用了逐级扫描的方式，在程序设计中分别对4路监测子程序进行了不同阈值的设置。1路为主驾驶位，报警优先级最高，设置了两级报警，第一级为>0 mg/100 ml进行声光报警，第二级为>20 mg/100 ml进行声光报警，同时液晶屏也会切换到报警画面且报警声剧烈急促；2路为副驾驶位，设置报警值为>20 mg/100 ml发出声光报警；3、4路位后座位左和右，设置报警值为>20 mg/100 ml发出声光报警。

4 测试与分析

4.1 测试样机

装置软件设计完成后，制作样机并且进行测试，样机如图12所示。

图12 控制器样机

4.2 测试结果

环境温度28 ℃，室内面积20 m2；测试工具为FAR-555专用酒精浓度传感器，测试数据为标准值。测试时，系统上电运行，等待4路传感器初始化完成后进行酒精浓度检测，同时使用FAR-555专用酒精浓度传感器进行酒精浓度检测；测试中采用浓度为55°的某品牌酒，倒入少许至测试容器中，靠近传感器进行检测。当检测距离固定的情况下，FAR-555检测到酒精浓度为20 mg/100 ml时，系统1路传感器检测到为22 mg/100 ml,2路传感器检测到为23 mg/100 ml, 3路传感器检测到为24 mg/100 ml, 4路传感器检测到为32 mg/100 ml,此时测试出传感器有误差，故在程序中加入了算法补偿，将传感器检测到的值进行向下补偿从而达到更加接近专用酒精浓度传感器的检测值。然后进行10组数据测试，测试数据如表1所示。

表1 数据测试表 (mg/100 ml)

续表1 (mg/100 ml)

分析测试结果，最大绝对误差3 mg/100 ml，最小绝对误差-2 mg/100 ml，能够满足使用要求；在数据超限时，第1路声光报警及显示警示界面，2、3、4路声光报警，装置工作正常。

5 结语

在日常驾车中对酒精浓度监测的要求，主要是保证酒精浓度在一定温度范围内被及时的监测出来并能准确而醒目地报警。本文以单片机为控制核心，分析智能防酒驾装置的设计过程及实现方法，并且进行了样机测试。测试结果表明，该装置的工作稳定性高、没有误报警、测量误差小、性价比高、实用性强，达到了预期效果，具有一定的应用价值。