防酒駕裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吳小蝶 蘇偉源 胡凱武

摘要：本文介紹了一種防酒駕裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該裝置以 STC89C52 單片機(jī)為控制芯片，利用壓力傳感器檢測(cè)駕駛者是否上車，利用酒精傳感器和溫度傳感器分別采集車?yán)锞凭珴舛群婉{駛員體溫，融合所有傳感器數(shù)據(jù)后判斷駕駛員是否酒駕，若酒精濃度超標(biāo)以及體溫異常則關(guān)閉車輛啟動(dòng)功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該裝置實(shí)現(xiàn)了酒駕的自動(dòng)檢測(cè)，可以有效防止酒駕的發(fā)生，一定程度的降低交通事故發(fā)生率，可預(yù)防交通安全隱患。

關(guān)鍵詞：防酒駕裝置;壓力傳感器;酒精傳感器;溫度傳感器

1概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量不斷上升，但也伴隨著因酒駕造成車禍的事件也不斷增加，給有些家庭帶來了沉重的打擊，如何采取有效的手段解決因酒駕造成的車禍問題十分必要。目前國(guó)內(nèi)外許多汽車廠家為了杜絕酒駕現(xiàn)象，都在積極研發(fā)各種“防酒駕”系統(tǒng)，主要有五種防酒駕技術(shù)，分別是酒精鑰匙技術(shù)、酒后駕駛閉鎖裝置、日產(chǎn)酒精鑰匙、酒精探測(cè)儀、激光酒精檢測(cè)儀。目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)酒駕的方法依然很傳統(tǒng)，常見的有手持式酒精檢測(cè)儀和吹氣式酒精檢測(cè)儀，依靠交警在某個(gè)時(shí)段在道路上進(jìn)行檢測(cè)，很難做到全部覆蓋，并且在駕駛者酒駕已經(jīng)發(fā)生時(shí)才阻止，不能有效杜絕酒駕現(xiàn)象。由于交警人數(shù)和工作時(shí)間有限，并且部分駕駛者不遵守交通規(guī)則，存在一定的僥幸逃脫心理，所以很難實(shí)現(xiàn)酒駕之前就阻止出行。針對(duì)以上情況的出現(xiàn)，本設(shè)計(jì)引入多個(gè)傳感器，通過分析多個(gè)傳感染的數(shù)據(jù)并且融合起來，可在車輛啟動(dòng)之前對(duì)駕駛員進(jìn)行酒精檢測(cè)和體溫檢測(cè)，若檢測(cè)出駕駛者的酒精濃度超標(biāo)和體溫異常，則通過繼電器控制車輛使其無法啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)可一定程度的降低酒駕引起的交通事故發(fā)生率，提高人身安全和交通只需，有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 總體方案設(shè)計(jì)

本文是基于 STC89C52 所設(shè)計(jì)的防酒駕裝置，該裝置主要由車載終端與 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸兩部分所組成，其中車載終端部分包括酒精傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器，該設(shè)備是基于自動(dòng)化與智能化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)酒駕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，防止酒駕的發(fā)生。

防酒駕裝置的基本原理是通過車上的壓力傳感器檢測(cè)駕駛員是否在車上，檢測(cè)到駕駛員上車后啟動(dòng)酒精傳感器檢測(cè)駕駛員呼出氣體的酒精濃度，啟動(dòng)溫度傳感器測(cè)量駕駛員體溫，將兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)融合分析后，若駕駛員酒精濃度超標(biāo)和體溫異常，則通過繼電器控制汽車的點(diǎn)火系統(tǒng)，禁止駕駛員酒駕。該裝置的具體操作流程是，駕駛員上車后，在打開點(diǎn)火系統(tǒng)前對(duì)著防酒駕檢測(cè)裝置吹氣，通過酒精傳感器模塊檢測(cè)駕駛員呼出口腔氣體的酒精濃度，酒精傳感器模塊對(duì)檢測(cè)到的氣體結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出電壓模擬信號(hào)，然后通過 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將酒精傳感器模塊得到的電壓模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)，通過主控芯片片機(jī)對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制處理，與設(shè)定好的酒精濃度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較;同時(shí)通過溫度傳感器檢測(cè)駕駛員體溫是否異常。如果檢測(cè)到酒精濃度超標(biāo)和體溫異常，則禁止汽車點(diǎn)火系統(tǒng)啟動(dòng)，如果酒精濃度沒有超標(biāo)以及體溫正常則讓車輛點(diǎn)火系統(tǒng)正常啟動(dòng)。酒精傳感器和溫度傳感器可以安裝于方向盤下部，繼電器控制的是啟動(dòng)電機(jī)電路，將其串聯(lián)于啟動(dòng)電路中，該系統(tǒng)只檢測(cè)一次，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，該系統(tǒng)將失效。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

3主要模塊的型號(hào)選擇

3.1酒精傳感器模塊

人在飲酒之后，在一定的時(shí)間內(nèi)，所呼出的口腔氣體中會(huì)含有酒精成分，通過對(duì)呼出口腔氣體酒精濃度的檢測(cè)和分析比較，能夠判斷其飲酒程度。根據(jù)設(shè)計(jì)的精度要求本項(xiàng)目選用MQ-3酒精傳感器模塊，該傳感器所使用的氣敏元件是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸氣時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-3酒精傳感器對(duì)酒精的靈敏度高，可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾。這種傳感器可以檢測(cè)多種濃度酒精氣氛，是一種多用途的低成本傳感器。

該模塊具有DO開關(guān)信號(hào)（TTL）輸出和AO模擬信號(hào)輸出;TTL輸出有效信號(hào)為低電平（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接連接單片機(jī)或者繼電器）;模擬量輸出的電壓，濃度越高電壓越高。本設(shè)計(jì)采用AO模擬信號(hào)輸出端輸出電壓。

需要注意的是，該模塊通電后，需要預(yù)熱20s左右，測(cè)量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定。

MQ-3酒精傳感器總共有四個(gè)引腳，分別為GND、DO輸出端、AO輸出端以及VCC，其中GND和VCC為芯片提供電源，DO為數(shù)字信號(hào)輸出端，AO為模擬信號(hào)輸出端;酒精檢測(cè)探頭用于檢測(cè)酒精;電壓比較器LM393用于電壓的比較，從而決定輸出電壓的大小，當(dāng)有酒精時(shí)輸出低電平，無酒精時(shí)輸出高電平;電位器用于靈敏度調(diào)節(jié);電源指示燈用于電源指示;信號(hào)指示燈用于信號(hào)指示，當(dāng)有酒精時(shí)發(fā)光，無酒精時(shí)熄滅。MQ-3 酒精傳感器電路圖如圖2所示。

當(dāng)測(cè)量濃度大于設(shè)定濃度時(shí)，單片機(jī)IO口輸出低電平，測(cè)試程序如下：

#include<reg52.h> //庫文件

#define uchar unsigned char//宏定義無符號(hào)字符型

#define uint unsigned int //宏定義無符號(hào)整型

sbit LED=P1^0; //定義單片機(jī)P1口的第1位 （即P1.0）為指示端

sbit DOUT=P2^0; //定義單片機(jī)P2口的第1位 （即P2.0）為傳感器的輸入端

void delay（）//延時(shí)程序

{

uchar m，n，s;

for（m=20;m>0;m--）

for（n=20;n>0;n--）

for（s=248;s>0;s--）;

}

void main（）//主函數(shù)

{

while（1） //無限循環(huán)

{

LED=1; //熄滅P1.0口燈

if（DOUT==0）//當(dāng)濃度高于設(shè)定值時(shí) ，執(zhí)行條件函數(shù)

{

delay（）;//延時(shí)抗干擾

if（DOUT==0）//確定 濃度高于設(shè)定值時(shí) ，執(zhí)行條件函數(shù)

{

LED=0; //點(diǎn)亮P1.0口燈

}

}

3.2 模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

由于酒精傳感器模塊要將駕駛員呼出口腔氣體的酒精濃度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后才可以傳遞給主控芯片單片機(jī)，由于酒精傳感器模塊的輸出電壓信號(hào)較弱，所以需要經(jīng)過放大電路放大之后才使用，本系統(tǒng)采用 OPA2277pa 增益芯片將酒精傳感器模塊的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大之后通過ADC0832型轉(zhuǎn)換芯片將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

3.3溫度傳感器模塊

在飲酒之后因?yàn)橐掖伎梢源龠M(jìn)血液循環(huán)，乙醇也可以產(chǎn)生較高的熱量，大約1g酒精，可以產(chǎn)生7000卡的熱量。乙醇在乙醇脫氫酶的作用下，代謝為乙醛，而乙醛又可以使血管擴(kuò)張，因此以上幾個(gè)因素都可以使體溫輕度升高，但是一般不會(huì)超過37.5℃。如果飲酒過量導(dǎo)致了醉酒的狀態(tài)，會(huì)使得中樞受到抑制，反而會(huì)使體溫下降，這個(gè)時(shí)候體溫會(huì)比基礎(chǔ)的體溫還要低。對(duì)于飲酒來說，如果輕度的飲酒或者適量的飲酒，可以引起體溫的輕度升高。如果過量的飲酒，甚至醉酒的狀態(tài)也可以引起體溫的下降。因此本項(xiàng)目在測(cè)量酒駕時(shí)也應(yīng)該將體溫的影響因素考慮進(jìn)來，使得測(cè)量結(jié)果更加精準(zhǔn)全面。

本項(xiàng)目選用GY-906 MLX90614紅外測(cè)溫傳感器模塊，MLX90614是一款紅外非接觸溫度計(jì)。TO-39金屬封裝里同時(shí)集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測(cè)器芯片和信號(hào)處理專用集成處理芯片。由于集成了低噪聲放大器、17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理芯片MLX90302，是的高精度和高分辨率的溫度計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。計(jì)算物體溫度和環(huán)境溫度存儲(chǔ)在MLX90302的 RAM單元，溫度分辨率為0.01度。

該傳感器測(cè)量溫度范圍為：環(huán)境溫度-40～125度，物體溫度-70～382.2度，精度可達(dá)正負(fù)0.1度，是一種高精度溫度傳感器。

3.4壓力傳感器模塊

通過使用壓力傳感器可以判斷駕駛員是否上車，只有在駕駛員上車后才開始啟動(dòng)酒精和體溫測(cè)量。

本項(xiàng)目選用50kg電阻應(yīng)變半橋式傳感器，該傳感器內(nèi)部為1000歐半橋應(yīng)變片，量程為50kg稱重傳感器，半橋結(jié)構(gòu)。測(cè)量時(shí)，外側(cè)邊正確施加外力，E字形傳感器的應(yīng)變梁部分（即中間貼應(yīng)變片的，有白色覆膠的梁臂）和外側(cè)邊要形成一個(gè)方向相反的剪切力，即中間的應(yīng)變梁在受力下必須可以發(fā)生彎曲變化，應(yīng)變梁受力時(shí)另一側(cè)不可有阻擋物。

該傳感器內(nèi)部是一組半橋應(yīng)變片，使用的方法有三種：

1、使用一只傳感器配合外界電阻組成全橋測(cè)量，量程為一只傳感器的量程：50kg。對(duì)外界電阻要求較高。

2、使用兩只傳感器組成全橋測(cè)量，量程為兩只傳感器的量程之和：50kg*2=100kg。

3、使用四只傳感器組成全橋測(cè)量，量程為四只傳感器的量程之和：50kg*4=200kg。

3.5 GPRS通信模塊

在主控芯片單片機(jī)對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理之后會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將處理后的數(shù)據(jù)向車主、車主親人及交警部門提交，由于汽車具有位置不定性，所以須選用無線通信模塊。本文選用SIM800C GSM GPRS模塊進(jìn)行 GPRS 通信模塊設(shè)計(jì)，當(dāng)所有傳感器數(shù)據(jù)融合后出現(xiàn)駕駛員酒精超標(biāo)和體溫異常時(shí)，GPRS 模塊會(huì)將車輛信息、定位信息、酒精濃度信息和體溫信息等發(fā)到附近的交通管理部門，從而有效對(duì)酒駕行為進(jìn)行管控。

SIM800C模塊是一款高性能高性價(jià)比工業(yè)級(jí)的GPRS模塊，本模塊可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM800C模塊總共有16個(gè)引腳，如下表為SIM800C模塊的引腳功能說明。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的防酒駕系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測(cè)駕駛員是否上車，通過酒精傳感器測(cè)量酒精濃度和溫度傳感器測(cè)量體溫，通過GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了酒駕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止酒駕的發(fā)生，一定程度的降低交通事故發(fā)生率，保護(hù)了人身安全和維護(hù)了社會(huì)秩序。

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