基于单片机的防酒驾控制系统设计*

金韦利, 张赟宁, 姜礼华

(1.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 材料与化工学院,湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在交通事故的法医学调查中,世界各国均认为酒驾是导致其发生的重要原因[1]。据国家交通部交通事故原因统计,我国的交通事故有33 %是因为酒驾造成的,且酒驾事故造成的人员死亡量占总事故死亡量的50 %以上[2]。而随着现代科技的迅速发展,传感器技术已广泛应用于生活中,使得人们的生活便捷化、智能化。针对酒驾事故的频繁发生,仅靠路政部门不定期使用警用酒检仪预防酒驾已严重影响酒驾监测的实时性及便捷性。因此,针对目前的市场需求,本文拟设计一款智能汽车防酒驾检测系统,在发现酒驾时立即切断汽车启动系统并报警,力争将酒驾扼杀在摇篮之中。

1 系统总体设计

智能防酒驾系统以51单片机为核心,使用MQ-3酒精传感器采集驾驶员呼出气体的酒精浓度,将其进行信号调理并通过模/数转换送给单片机进行处理,并根据阈值判断驾驶员呼出气体所含的酒精浓度是否超标。当酒精浓度超标时,系统通过继电器自动关闭汽车发动机、LCD液晶显示酒精浓度并进行声光报警；否则车辆正常启动、LCD显示酒精浓度,系统总体设计方案如图1所示。

图1 防酒驾系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 数据处理模块

STC89C52单片机使用经典的MCS-51内核,但经改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能,它以低功耗、高性能的优点可为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、智能、有效的解决发、方案[3]。因此,本设计选用STC89C52单片机作为控制核心,负责接收按键及A/D转换的数字信号、送显酒精浓度至LCD并与阈值进行比较等。

2.2 酒精浓度采集模块

本模块包括MQ—3酒精传感器探头及信号调理电路,其中,MQ—3酒精传感器主要由ZYMQ—3气体传感器和LM393电压比较器构成,ZYMQ—3气体传感器用以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预设值比较,并将比较结果以数字量输出,具体原理如图2所示。

图2 MQ—3酒精传感器原理

国标规定车辆驾驶人员血液中酒精质量浓度大于或等于20 mg/100 mL、小于80 mg/100 mL的驾驶行为为饮酒驾车[4]。当酒精传感器检测到乙醇气体时,电压比较器的2脚可得与气体浓度成正比的电压值。当电压值超过电位器RP阈值20 mg/100 mL时,比较器2脚电位高于3脚电位,比较器1脚输出低电平且LED灯亮,传感器输出低电平；否则传感器输出高电平,其值等于电源电压。其中可调节电位器RP控制输出信号的阈值。

2.3 模/数转换模块

ADC0832是美国国家半导体公司生产的8位分辨率、双通道串行模/数(A/D)转换芯片具有功耗低、体积小、性价比较高等特点[5],适宜应用在智能仪器仪表中。本系统采用其作为模/数转换芯片,将酒精采集模块测得的模拟电压值转换为数字量供单片机进行处理。将ADC0832的CLK接单片机P1.0脚、DI与DO并联接P1.1脚,ADC0832与单片机接口及工作时序分别如图3、图4所示。

图3 ADC0832与单片机接口电路

图4 ADC0832工作时序

2.4 液晶显示模块

由于LCD1602功耗低、体积小及抗干扰能力强等优点[6],本系统采用其作为显示设备以显示酒精浓度值信息,采用LCD1602与单片机的P0口相连的方法进行接口。单片机驱动LCD1602的主要操作包括读状态、写指令、读数据、写数据等。数据的读写通过LCD1602的数据端口D0-D7与RS,R/W,E三个控制引脚的电平组合实现[6],芯片基本操作时序及写操作时序分别如表1、图5所示。

表1 LCD1602基本操作时序

图5 LCD1602写操作时序

2.5 按键模块与及报警模块

系统设置“浓度设置”“浓度增加”“浓度减小”3个按钮,分别连接至单片机的P3.5,P3.6,P3.7脚,通过此3个按钮可改变酒精浓度阈值。

汽车启动电路通过电磁继电器连接至P2.4脚,声光报警电路通过PNP三极管连接至P2.0脚。根据阈值监测驾驶员呼出气体所含酒精浓度是否超标,若超标则切断启动电路并进行声光报警；否则,汽车正常启动运行。

3 系统软件设计

根据洗车防酒驾功能需求编制了相应的系统软件,其设计思想为：当驾驶员入室时启动系统工作,酒精采集模块的传感器探头采集驾驶员呼出气体所含酒精浓度、并将酒精浓度经信号调理转换为模拟电信号,然后经模/数转换电路转换为数字信号送入单片机进行处理,并将酒精浓度值送LCD液晶显示。当浓度值超出预设阈值时自动切断汽车启动电路并报警；否则,启动电路正常工作。

4 系统性能测试

本设计使用启东计算机总厂有限公司的SXB-01 51_CPU Module V2.0模块进行了防酒驾系统性能测试。首先通过STC单片机的烧写工具将生成的目标文件经USB转串口线下载到模块中,然后上电运行,观测继电器及报警器的动作,具体结果如表2所示。即当驾驶员血液中酒精质量浓度小于20 mg/100 mL时,LED灯熄灭、蜂鸣器不工作,继电器触点闭合,汽车正常启动；当酒精质量浓度大于20 mg/100 mL,LED灯红光闪烁、蜂鸣器鸣叫,继电器触点断开,禁止汽车启动。仿真结果表明,系统工作稳定、可靠性高、符合设计要求。

表2 防酒驾系统测试结果

5 结束语

本文设计了一种基于单片机的汽车防酒驾控制系统,采用MQ—3型气体传感器检测驾驶员呼气中酒精浓度；当检测到酒精浓度超标时,系统声光报警并通过继电器切断汽车启动系统,禁止汽车启动。测试结果表明：系统性能良好,功能完善,操作简单,通用性强,具有广泛的推广应用价值。