酒后驾车检测系统设计.docx

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酒后驾车检测系统设计

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酒后驾车检测系统设计

宋长飞

（陕理工机械工程学院热能与动力工程汽车082，陕西汉中723003）

指导教师：

常红梅

[摘要]本文介绍了酒后驾车检测系统设计的问题，阐述了基于气敏传感器的酒精浓度检测电路的工作原理和通过面部表情特征的驾驶员疲劳状态识别的双重设计。

采用AT89S51单片机作为控制核心设计了酒精浓度检测电路，包含酒精传感器电路，AD信号转换电路以及报警等重要模块。

另外通过微型摄像头在驾驶过程中拍摄人面部表情，通过传送分析从而达到时时监控酒后驾车的目的。

论文给出了软件流程，并编写了软件。

最后完成酒精浓度检测电路的制作和调试，该系统通过液晶显示器显示所测气体中的酒精浓度值，超过所设的阀值后实现语音报警功能，从而切断汽车的正常启动。

本设计具有操作简单、成本低廉、可靠性高等优点。

[关键字]酒精传感器单片机报警面部表情

DrinkingandDrivingTestSystemDesign

SongChangFei

（GradeTour,ClassTwo,Majorthermalenergyandpowerengineering，Shaanxi

Tutor:

ChangHongMei

[abstract]Thispaperintroducesthedesignofdrunkendrivingdetectionsystem，gassensorispresentedbasedonthealcoholconcentrationmeasurementcircuitprincipleofworkandthroughthefacialexpressionsofthepilotfatiguestaterecognitioncharacteristicsofdoubledesign.TheAT89S51microcontrollerasthecoretocontroldesignofalcoholconcentrationmeasurementcircuit.Containalcoholsensorcircuit,signalconversionofcircuitandvoicealarm,andotherimportantmodules.Anotherthroughthetinycamerasindrivingprocessshootingpeoplefacialexpressions,throughthetransferanalysissoastoachievethepurposeofeverymonitoringdrunkdriving.

ThispaperFinallycompletealcoholconcentrationmeasurementcircuitproductionandtest,analyzesthesoftwareprocess,andwritethesoftware.Thesystemthroughtheliquidcrystaldisplayshowsthedensityofthegasalcohol,morethanthethresholdsetafterrealizevoicealarmfunction,Cutoffthecartostartnormally.Thisdesignhassimpleoperation,lowcostandhighreliabilityetc.

[Keywords]alcoholsensorsumalarmcountenance

1前言1

1.1相关技术的发展情况2

1.2论文的主要工作3

2概述酒后驾车检测系统的设计4

2.1酒后驾车检测系统设计方案4

2.2酒后驾车检测系统简易示意图及主程序框图4

2.3酒后驾车系统设计简要分析5

3各电路的设计及分析6

3.1传感器电路6

3.1.1汽车酒精检测气敏传感器6

3.1.2气敏传感器的动态特性7

3.1.3传感器的性能指标7

3.1.4反应传感器静态特性和动态的性能指标7

3.1.5气敏电阻的工作原理及其特性7

3.1.6传感器的选择8

3.1.7输出结果说明10

3.2运算放大电路10

3.2.1LM324运算放大10

3.2.2反向交流放大器11

3.2.3输出结果说明12

3.3A/D转换电路12

3.3.1ADC0809介绍12

3.3.2A/D转换程序14

3.3.3主程序14

图3.11主程序框图15

3.3.4输出结果说明15

3.4AT89C51单片机系统15

3.4.1单片机片内结构16

3.4.2AT89C51芯片介绍16

3.4.3晶振电路和复位电路19

3.4.4输出结果说明19

3.5液晶显示12864电路24

3.5.112864的概述24

3.5.212864引脚说明24

3.5.3输出结果说明25

3.6报警电路25

3.6.1报警结果说明25

3.6.2报警电路26

3.7汽车驱动电路26

3.7.1继电器26

2.7.2电磁阀27

3.7.3驱动电路原理图27

3.8微型摄像机和面部表情监测系统介绍28

4软件系统的设计30

4.1总体流程图30

4.2报警子程序程序框图30

4.3控制算法32

5控制程序仿真和调试34

5.1仿真结果34

5.2软硬件调试及结果36

5.2.1软硬件联合调试及分析36

5.2.2最后调试结果37

6结论38

致谢39

参考文献40

外文翻译41

1前言

近年来，随着我国经济的高速发展，人民的生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。

酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成人体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟钝，肢体不受控制等症状。

少量饮酒并不会有上述症状，即人体内酒精浓度比较低时，而人体内酒精浓度超过某一个值时就会引起危险。

为此，需要设计一智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。

目前全世界绝大数国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被侧者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员的生命财产安全。

但这些都是被动检查，对于现在的社会越来越难达到人们预想的目的，为此，人们现在不断的研究智能仪器用来主动预防酒驾，这样就能更好的减少交通事故的发生，从而减小人员的伤亡和财产的损失。

本课题研究的是以气敏传感器和单片机为主，外加语音报警和全程监控的方法来实现对酒驾的预防。

酒精传感器检测酒精浓度，通过与单片机设定的浓度比较，从而判断是否为酒驾，如果所测浓度超过阀值则不能启动，否则正常启动。

在汽车行驶过程中，应用安装的微型摄像头监测驾驶员的面部表情，进一步判断是处于酒醉状态。

从理论上说，要判断是否是酒驾，最准确的方法是检查驾驶员血液中的酒精含量。

但是，在违章处理或者公路交通例行检查中，要到现场抽取血液往往是不现实的，而送到医院再抽取血液却会因为路上花去的时间使血液中的酒精浓度与现场时有所不同。

最简单可行的方法是现场检测驾驶员呼气中的酒精含量。

大量统计研究结果表明，如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上，这时呼出的气就是肺部深处出来的气体，呼气中的酒精含量与血液中的酒精含：

BAC（inmg/L）=BrAC（inmg/L）×2200

上式中，BAC是血液酒精浓度的英文缩写，BrAC则是呼气酒精浓度的缩写。

也就是说，以每升多少毫克为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以每升多少毫克为单位的呼气酒精浓度乘上系数2200（由于各国的情况不同，在美国此系数采用2000而欧洲很多国家采用2100）.目前全世界几乎所有国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶员进行现场检测，以确定被侧者是否酒后驾驶。

现在有些汽车上也配备便携式酒精检测仪，是仿照交警检查的一种预防方法，但还存在不足之处。

为了更有效率的预防酒驾，智能酒后驾车检测系统设计迫在眉睫，在这方面人们也已经做了很多研究和实验，正在不断完善和改进过程之中。

1.1相关技术的发展情况

我国测试仪器的普遍水平比较低，大型和高档仪器设备几乎全部依赖进口，许多急需的专用仪器还是空白，中低档产品保证质量上还有许多难关需要攻克，科技创新产业化进展迟缓。

随着微电子技术的不断发展，集成CPU、存储器、定时器、计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A/D转换器等电路在一块芯片上的超大规模电路芯片，即单片机出现了。

以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。

与传统仪器仪表比较，智能仪器具有以下功能特点:

▲操作自动化，仪器整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、信号的采集、传输与处理及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量的全部自动化。

▲具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自动诊断及量程自动转换等。

智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。

这汇总自测可以在一起的启动时运行，同时也可以在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。

▲具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。

智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。

例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅是用户从繁复的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。

▲具有有好的人机对话能力，智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。

与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时报告操作人员，是仪器的操作更加方便直观。

1.2论文的主要工作

本文设计采用MQ3气敏传感器，AT89S51单片机实现控制，通过液晶显示器实时显示。

可以通过键盘设定阀值，超过阀值语音报警并阻止汽车正常启动。

本文主要完成以下的工作：

（1）根据原理做出总体的概述。

（2）分析每一步实现的功能，并设计电路。

（3）连接每个功能模块并加入必要的接口电路。

（4）根据硬件连接图和所要实现的功能编写软件。

（5）进行软硬件联合调试。

（6）分析调试中遇到的问题，提出改进方案。

2概述酒后驾车检测系统的设计

2.1酒后驾车检测系统设计方案

（1）当酒后驾驶员进入驾驶室时，如果安装在转向盘上的检测系统检测到驾驶员饮酒过量时汽车就不能启动，而且系统会语音不停提示“您的酒精含量超标，不能开车”直至饮酒者离开，警告结束。

（2）当没有饮酒者进入驾驶室时，汽车能自动正常打开，并语音提示“您的酒精含量没有超标，可以开车，祝您旅途愉快”在中间隔一段时间会语音提示“请小心驾驶，注意安全！

”

（3）当汽车正常启动时，在行驶过程中，通过安装在仪表面板上的微型摄像头可以随时监测驾驶员的面部表情并分析，如果发现危险，先提示驾驶员注意；如果驾驶员没有采取行动，那么自动启动警示灯；如果驾驶员还没有反应的话，那么将自动降低车速。

2.2酒后驾车检测系统简易示意图

图1.1系统简易示意图

图2.1简易示意图

2.3酒后驾车系统设计简要分析

本文设计的酒后驾车检测系统选用STC89C51为控制核心，系统由MQ-3传感器电路、数码显示器部分、语音报警电路、内部A/D转换部分和摄像监控分析系统组成。

人呼出的酒精气体内含有乙醇气体，气敏传感器是对乙醇气体非常敏感的，即使浓度很微弱的乙醇气体都能检测到。

驾驶员进入驾驶室时，驾驶员向方向盘呼气，安装在方向盘上的MQ-3传感器就可以检测到驾驶员呼出的乙醇气体的浓度，从而采集到模拟电压信号，通过集成运算放大电路，将采集的微弱信号进行放大，放大后的信号送到ADC0809模数转换器，将模拟信号转换成数字信号，转换后的数字信号送入下一级的控制中心（STC89C51单片机）进行处理，当它判断出驾驶员酒精浓度没有超过标准值时，就会控制下达命令让汽车正常启动，同时语音提醒，另外当它判断出驾驶员体内的酒精浓度大于标准值时，就会控制命令使汽车不能启动，并语音提醒驾驶员不要酒后驾车。

3各电路的设计及分析

3.1传感器电路

3.1.1汽车酒精检测气敏传感器

气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面都起着极重要的作用。

气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件恶劣，而且气体对传感元件的材料产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。

所以对气敏传感器有下列要求：

能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。

由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有的气体，所以气敏传感器的种类也有很多。

近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用做多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。

表一半导体气敏元件分类

名称

检测原理、现象

具有代表性的气敏元件及材料

检测气体

接触

燃烧

式

燃烧热（电阻）

Pt丝+催化剂（Pd）

可燃性气体

电化

学式

恒电位电解电流

气体透过膜+贵金属阴极+贵金属阳极

CO、NO、O2

伽伐尼电池式

气体透过膜+贵金属阴极+贱金属阳极

O2、NH3

其他

类型

红外吸收型、石英震荡型、光导纤维型、热传导型、异质结型、气体色谱法、声表面波气体传感器

无机气体和有机气体

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。

按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。

第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电阻率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成（晶格缺陷）发生变化，结果使半导体的电阻率等物性发生变化。

按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型两类。

电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阀值电压变化来检测被测气体。

3.1.2气敏传感器的动态特性

传感器的输入信号时随时间变化的动态信号，这时就要求传感器能时刻精确地追踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。

当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器随动跟踪性能就会下降。

输入信号变化时，引起输出信号也随时间变化，这个过程为响应。

动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性，通常要求传感器不仅能准确地显示被测量的大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律，这也使传感器的重要特性之一。

传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关，在研究传感器动态特性时，通常根据不同输入信号的变化规律来考察传感器的响应。

实际传感器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的，最常见、最典型的输入信号时阶跃信号和正弦信号。

这两种信号在物理上较容易实现，而且也便于求解。

为便于分析传感器的动态特性，必须建立数学模型。

建立动态数学模型的方法有多种，如微分方程、传递函数、频率响应函数、差分方程、状态方程、脉冲响应函数等。

建立微分方程式对传感器动态特性进行数学描述的基本方法。

在忽略了一些影响不大的非线性和随机变化的复杂因素后，可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数学模型可用线性常系数微分方程来表示。

能用一、二阶线性微分方程来描述的传感器分别称一、二阶传感器，虽然传感器的种类很多，但他们一般可以简化为一、二阶环节的传感器，因此一阶和二阶传感器是最基本的。

3.1.3传感器的性能指标

在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其装换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本性能。

传感器的基本特性主要分静态特性和动态特性。

3.1.4反应传感器静态特性和动态的性能指标

静态特性是检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。

主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

动态特性是指检测系统的输入随时间变化的信号时，系统的输出与输入间

的关系。

主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。

3.1.5气敏电阻的工作原理及其特性

气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而是半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。

人们发现某些氧化物半导体材料如SnO2、Ni等都具有气敏效应。

3.1.6传感器的选择

本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。

考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。

其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。

MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和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。

传感器的标准回路有两部分组成。

其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。

传感器的表面电阻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输出面获得的。

负载电阻RL可调为0．5-200K。

加热电压Uh为5v。

上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。

MQ3型气敏传感器的结构和外形、标准回路、传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度的关系图如图3-3所示。

为了使测量的精度达到最高，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。

MQ-3型气敏传感器的敏感部分是由金属氧化物（二氧化锡）的N型半导体微晶烧结层构成。

当其表面吸附有被测气体酒精分子时，表面导电电子比例就会发生变化，从而其表面电阻会随着被测气体浓度的变化而变化。

由于这种变化是可逆的，所以能重复使用。

其实物外观如下图:

图3.1MQ-3实物图

其结构和测试原理如下图：

图3.2传感器的结构和测试原理图

图3.3传感器阻值变化率与酒精浓度、外界温度之间的关系

在系统电路调试正确以后，要作改进工作，使数码管上正确显示所测的酒精气体浓度值。

之前显示的是酒精浓度值与电压的对应关系，所以要显示酒精浓度值，需要找到电压与浓度之间的关系，然后才能建立酒精浓度值与显示的映射关系。

测量用的酒精溶液是用无水乙醇和纯净水按体积比来配制的，单位mL/mL表示的是1mL酒精溶液中含酒精的体积。

准备多个不同浓度的酒精气体样品，最小为100ppm，依次增加300ppm，再依次用气敏传感器检测，记录对应的电压值，记录样品的浓度和电压值之间的关系，根据曲线图的走向可以看出传感器的酒精浓度检测大致范围，然后根据这个范围选择11个合适的浓度值，多次测量电压值，再取平均值作为最后电压值，把10个标准区间范围定下来。

根据表所对应的关系，修改数据处理程序部分，建立酒精浓度和电压之间的关系。

使最终显示的数据为酒精浓度值。

3.1.7输出结果说明

经过试验测试可以知道酒精浓度与电压之间存在近似关系，可以将他们之间的关系绘制成图表，如下图

图3.4酒精浓度与输出电压的近似关系

汽车在开动之前，驾驶员呼出的气体通过气敏传感器检测得到模拟电压信号，这个信号可以作为下一步的处理信号。

比如输出电压为4mv。

3.2运算放大电路

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。

3.2.1LM324运算放大

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

   每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图2。

 图3.5外部结构        图3.6连线结构

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

下面介绍其应用实例。

3.2.2反向交流放大器

电路见附图。

此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。

电路无需调试。

放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。

　图3.7反向放大电路

见附图1。

此电路可用在一些自动控制系统中。

电阻R1、R2组成分压电路，为运放A1负输入端提供偏置电压U1，作为比较电压基准。

静态时，电容C1充电完毕，运放A1正输入端电压U2等于电源电压V+，故A1输出高电平。

当输入电压Ui变为低电平时，二极管D1导通，电容C1通过D1迅速放电，使U2突然降至地电平，此时因为U1>U2，故运放A1输出低电平。

当输入电压变高时，二极管D1截止，电源电压R3给电容C1充电，当C1上充电电压大于U1时，既U2>U1，A1输出又变为高电平，从而结束了一次单稳触发。

显然，提高U1。

图3.8                 图3.9

如果将二极管D1去掉，则此电路具有加电延时功能。

刚加电时，U1>U2，运放A1输出低电平，随着电容C1不断充电，U2不断升高，当U2>U1时，A1输出才变为高电平。

参考图2。

3.2.3输出结果说明

经MQ-3传感器输出的模拟电压信号在此环节中经过放大，达到下一环节A/D转换器可以处理的标准信号。

比如将上个环节输出的结果.4mv放大到4v。

3.3A/D转换电路

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，须经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。

实现模数转

换成数字量的器件称为A/D转换器（ADC）。

A/D转换器大致分有三类：

一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性