基于单片机的智能防酒驾控制系统

基于单片机的智能防酒驾控制系统
随着人民生活水平的提高，机动车的保有量屡创新高，使我们的道路安全问题面临严峻的考验。

为了避免由酒驾引起的交通悲剧，设计一种智能电路来检测驾驶员体内的酒精含量并且能够及时使发动机熄火是非常有必要的。

本系统采用前后双MQ-3酒精传感器自动进行检测，转换成数字信号后，由单片机对数字信号进行处理并显示。

标签：防酒驾；酒精检测；单片机；设计
1 概述
随着人民生活水平的提高，机动车的保有量屡创新高，使我们的道路安全问题面临更加严峻的考验。

据世界卫生组织（WHO）统计，全球每年有120多万人死于交通事故，这也是说平均每20秒就有一人死于交通事故，其中大约有50%-60%的交通事故与酒后驾驶有关。

酒后驾驶已经被世界卫生组织列为车祸致死的首要原因。

为了避免交通悲剧的发生，设计一种智能电路来检测驾驶员体内的酒精含量并且能够及时使发动机熄火是非常有必要的，同时还要排除车内其他人员因喝酒对设备检测的干扰，从而更加的合理、简便和人性化。

2 总体设计
2.1 智能防酒驾控制系统电路设计
智能防酒驾控制系统电路主要由酒精检测模块、A/D转换器、STC89C52单片机控制模块、语音报警模块和光电报警模块、发动机熄火模块及电源电路组成，系统模块结构图如图1所示。

2.2 智能防酒驾控制系统设计原理
本系统的工作原理：由车内驾驶位和右后座位的两个MQ-3酒精传感器来测量饮酒后车内驾驶员位置以及后座位置的酒精浓度，输出相应的电压信号，经过放大器放大处理后，通过A/D转换器转换成数字信号传入单片机，最后由单片机通过对数字信号的处理来显示酒精浓度，经过单片机的逻辑判断处理，根据检测到的酒精浓度和标定值进行比较，如果驾驶位上酒精传感器检测的酒精浓度大于后座检测到的酒精浓度并且超过标定值，则系统会发出声光报警，并且通过控制继电器使发动机熄火并保持熄火状态；如果驾驶位上酒精传感器检测的酒精浓度远小于后座检测到的酒精浓度且低于标定值，则系统会保持待机状态，可以点火启动汽车；如果驾驶位上酒精传感器检测的酒精浓度小于后座检测到的酒精浓度但高于标定值，则系统会进入重新检测，对驾驶人员体内的酒精浓度进行更加准确检测，要求驾驶人对酒精传感器呼气，从而控制汽车电机的启动工作。

整个系统完全自启，自动对车内的酒精浓度进行检测，不需要任何的人为操作从而实现简单方便，并且防止酒后驾驶的行为。

在检测结束后系统会自动进入待机状态，
当在行驶过程中出现更换驾驶人，而更换后的驾驶人处于酒后驾驶情况，酒精传感器就会检测出酒精浓度超标，从而使得发动机熄火，同时产生声光报警；而因为出现驾驶人饮酒过少，初步检测使酒精浓度过低使得可以汽车正常行驶，但随着行驶的时间变长，由于车窗紧闭使得酒精浓度逐渐上升从而超标，也会使得发动机熄火，同时产生声光报警。

3 硬件的选择
3.1 酒精传感器的选择
我国对酒后驾驶的标准是血液中酒精含量超过20毫克/百毫升即为酒后驾驶，80毫克/百毫升即为醉酒驾驶。

而在检测过程中系统检测到驾驶位酒精浓度（BrAC）与血液中酒精浓度（BAC）存在一定比例关系，当检测到酒精浓度超过标准值时系统会发出声光报警，并且使发动机熄火并保持断开状态。

为了避免检测出现误差，选择一个性能较强，性价比高的酒精传感器是十分有必要的。

酒精传感器是将探测到的酒精浓度转换成有用电信号的器件，而酒精传感器在本系统中是或不可缺的一个元器件。

通过市场上使用的酒精传感器的进行比较，由于MQ-3传感器对酒精气体具有良好的灵敏度、长寿命、低成本，对汽油、烟雾、水蒸气的抗干扰能力强，由简单的驱动电路连接即可使用，因此在本系统中选择了MQ-3酒精传感器。

MQ-3气体传感器所使用的气敏材料是在空气中电导率是较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器随着所处环境中酒精蒸汽的增加，传感器的电导率也随着酒精气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-3型酒精传感器由陶瓷管、二氧化硅敏感层、测量电极以及加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。

封装的气敏元件中包含有6只针状管脚，其中4个管脚（两个A 和两个B）用于信号读取，两个H脚用于提供加热电流。

传感器主要由两部分回路组成：其一是传感器加热回路；其二为传感器信号输出回路，它可以精确反映传感器表面电阻的变化。

传感器表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL出面获得的。

二者之间的关系表述为：RS/RL=（VC-VRL）/VRL，其中VC为回路电压10V。

负载电阻RL可调为0.5～200K，加热电压Uh为5V。

这些参数使得传感器输出电压为0～5V。

传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系慎密，为了使测量的酒精浓度最高误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5 分钟。

3.2 单片机的选择
选用STC89C52芯片，该芯片是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除、快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间更是长达十年，此属于芯片功耗较低，全静态
工作，拥有8K字节Flash，512字节RAM，单芯片具有灵巧的8位cpu和系统可编程Flash。

单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能，完全能够满足系统需要，为系统提供高效率的信号处理。

STC89C52能够构成真正的单片机最小应用系统，从而缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。

该系统可以用5V电压编程，而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压范围宽（2.7V～6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。

STC89C52芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有該口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

3.3 A/D转换器的选择
在单片机应用系统中，被测量对象的有关变化量，如温度、压力、流量、速度等非电物理量，一般要经过传感器转换成连续变化的模拟电信号（电压或电流），这些模拟电信号必须转换成数字量后才能在单片机中用软件进行处理。

能够完成模拟量转换成数字量的电路称为A/D转换器（ADC）。

在本设计中选用的是A/D0832模数转换器，这是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片、工作频率为250KHz的A/D转换器，转换时间为32μS、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容、5V电源供电时输入电压在0～5V之间，由于它体积小，兼容性强，性价比高因而得到广泛使用。

4 软件设计
4.1 系统控制程序的设计
对于单片机的编程来说，程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。

汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。

C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯，且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。

本系统的控制程序采用C语言进行编写，主要包括系统初始化程序、模数转换与数据储存程序、数据处理程序、语音报警、光电报警与发动机熄火程序。

系统控制程序的工作过程如下：系统上电后，单片机系统开始初始化，MQ-3酒精传感器自动检测车内驾驶位和后座的酒精浓度，启动模数转换并进行酒精浓度数据储存，转换结束后，进行酒精浓度数据处理，判断前后酒精浓度大小，同时判断驾驶位酒精浓度是否超标，若驾驶位酒精浓度较大并且超标，则使发动机熄火并保持断开状态同时发出声光报警、转向灯闪烁；若驾驶位酒精浓度较小但仍远远超标，则使发动机熄火并保持断开状态同时发出声光报警、转向灯闪烁；
若驾驶位酒精浓度较小且刚超过标准值，则对驾驶位重新进行精确测量，并再次判断酒精浓度是否超标；若驾驶位酒精浓度较小且未超过标准值，则允许发动机点火同时系统进入待机状态，同步检测车内酒精浓度。

4.2 系统程序整体流程
系统程序主要完成A/D转换、数据处理、声光报警等功能。

软件通过酒精传感器的测量结果进行A/D转换，将转换后的数值与标定值比较判断驾驶员的饮酒情况，从而系统在进行下一步判断，系统程序整体流程图如图2所示：
5 结束语
利用前面各部分设计，制作基于单片机的防酒驾智能控制系统，改变目前市场已有的被动式——需要驾驶者主动向酒精传感器呼气，经检测合格后方可正常启动的方式，研发出新型的主动式——系统自启动双向检测酒精浓度，简化操作步骤，提高检测的准确度，且杜绝驾驶人人为躲避检测从而酒驾的可能。

智能防酒驾控制系统价格低廉且稳定性高，抗干扰能力强，檢测的准确性高，该系统的推广可以有效的降低酒驾带来的危害，给道路交通带来了一定的安全性，同时它的出现可以在一定程度上缓解交管部门的压力。

参考文献：
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[4]孟庆宇，祝玲，李鑫，等.语音防酒驾设计方案[J].电子世界，2015，11.。