基于单片机的防酒驾系统.docx
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基于单片机的防酒驾系统
基于单片机的防酒驾系统
Anti-AlcoholDrunkDriveSystemBasedonSCM
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摘要
机动车的保有量屡创新高，是我们的道路安全问题面临严峻的考验，而很大一部分的道路安全事故都与酒后驾车有关。
一方面交通管理部门加大道路酒驾巡查力度和处罚力度，另一方面通过媒体宣传，案例举例等方式让人们意识到酒后驾车的危害，使驾驶员从“不敢”酒后驾车逐渐向“不想”酒后驾车转变。
但单纯的交通管理部门巡查和宣传，都不能从根本上杜绝酒驾事故的发生。
因此从技术角度杜绝酒驾的发生弥补了单纯管理和宣传的缺陷。
本论文采用AT89S52作为系统的中央处理单元，用于接收气体传感器的输入信号，以及控制继电器动作。
选择MQ-3型气体传感器作为检测呼出气体中酒精含量的传感器，检测结果输入到单片机内。
继电器的两个输出控制端一路连接酒驾报警灯，另一路连接发动机的打火装置。
当呼出气体正常时继电器连接发动机打火装置，汽车可以启动；当呼出气体酒精含量超标时继电器则连接酒驾报警灯，车辆无法启动。
论文进行了电路原理图设计及软件程序设计，最后通过Proteus软件的ISIS模块进行了电路仿真，验证了本设计合理，功能完备。
关键词：
防酒驾；气体传感器；电路设计；Proteus仿真
Abstract
Motorvehicleownershipreachedrecordhigh,isourroadsafetyisfacingaseveretest,andalargepartoftheroadsafetyaccidentsareinvolvingadrunkdriver. Ontheonehand,thetrafficadministrativedepartmentoftheroaddrunkdrivinginspectioneffortsandpunishment.Ontheotherhandpublicitythroughthemedia,caseexamples,etc.letpeopleconsciousnesstothedrunkdrivinghazards,sothatthedriverfromnotdrunkdrivinggraduallytonotwanttodrunkdrivingchange. But the trafficmanagementdepartment inspectionand propaganda,cannot fundamentallyeliminate drunkdriving accidents. Therefore, fromthepointofviewoftechnology toeliminate drunkdriving occurred tomakeupforthe defectsofsimplemanagement andpublicity.
ThispaperusesAT89S52asthecentralprocessingunit,forreceivingtheinputsignalofthegassensor,andcontrolrelay. SelecttheMQ-3typegassensorisusedtodetectalcoholcontentinexhaledair,thedetectionresultsofinputtothemicrocontroller. Twooutputcontrolrelayendofaroadconnectingdrunkdrivingwarninglampignitiondevice,anotherwaytoconnecttheengine. Whennormalexhaledgasrelayisconnectedtotheengineignitionsystem,thecarcanstart;whenthebreathalcoholcontentexceedingtherelayisconnectedwiththewinewarninglampdriving,thevehiclecannotbestarted. Thecircuitprinciplediagramdesignandsoftwaredesign.Finally,throughtheProteusIsismodulewerecircuitsimulation,verifythedesignisreasonableandthefunctioniscomplete.
Keywords:
anti-drunkdriving;gassensor;circuitdesign;Proteussimulation
第1章绪论
1.1论文研究背景
我国经济迅猛发展的情况有目共睹，对人民生活水平的提高起到了巨大推动力的作用。
汽车对于家庭来说已经不是可望而不可及之物，相反，驾车出行正在成为越来越多的人出行的首要选择。
国家的机动车管理部门就统计数据得出结论，截止到去年年底，中国境内的机动车保有量超过两亿六千万辆，其中汽车就达到了一亿五千万多辆[1]。
仅2014年一年，新注册的汽车就达两千多万辆，保有量净增长一千七百多万辆。
这两个数字都是以往历史上从未有过的。
目前我国家庭平均每一百户居民家庭，就会有25辆机动车，北京的每一百户居民家庭这一数字达到了63辆，广州、成都等特大型城市每一百户居民家庭则拥有超过40辆机动车[2-3]。
就我们学校的所在地，哈尔滨来说，每一百户居民家庭拥有汽车的数量，三年来增长了近一倍，达到每一百户居民家庭17.2辆的水平，每天就会有四百辆机动车等待登记落牌并上路行驶，带来的道路拥堵问题大家都有共识和体会，我们校门口的早晚高峰堵车领大家印象深刻。
中国公安部负责交通管理的交管局负责人表示，经济向好，我国人们的购车欲望还在不断上升，尤其在一线二线这样的较发达地区，人们的购车刚性需求旺盛，例如北京、深圳等，政府不得已采取了机动车摇号上牌的政策，更凸显了机动车增长的旺盛势头[4]。
由此可以想象，随着我国机动车保有量的增加，人们驾车出席各种活动的场合也会与日俱增。
席间推杯换盏，导致酒驾醉驾的交通事故也正在呈上升态势。
尽在2013年一年间，全国交通管理部门上道临检查重酒驾事件就达一百五十多万起，由于道路交通事故致人死亡的人数近六万人[5]。
去年哈尔滨市的交通管理部门组织了包括交警、巡警以及省电视台媒体记者等多方参与，通过不定期上路现场临检等方式，对我市存在的道路交通违法的情况进行查重。
期间，共查处酒后驾驶车辆的驾驶员1794人，而其中竟然有459人属于醉酒驾驶。
对于酒后驾车的驾驶员，交通管理部门对其处以行政处罚；而醉酒驾驶的人员则被拘留并相应追究了其刑事责任。
另外有67人，年龄跨度从二十岁到六十岁，驾龄最长三十年的机动车驾驶员被罚终生禁止驾驶机动车。
原因是他们由于饮酒而引发了重大的交通事故，或者造成重大交通事故后逃逸。
世界卫生组也预测，十五年后左右，由于道路交通安全事故导致人们生命财产损失的事故呈升高态势，将成为全球“第三位疾病”[6-8]，而驾驶员原因是交通安全事故产生的主要因素。
美国做过相关的统计，在03年美国全境发生的道路安全事故中，有四成死亡事故都与驾驶员饮酒有关。
酒后驾车已成为车祸致死的重要原因。
之所以酒精会对道路安全造成如此严重的影响，主要是因为以下几个原因[9-11]：
（1）车辆的驾驶员一旦饮酒后，当身体的酒精摄入量达到一定量后，将会影响驾驶员的中枢神经，使之逐渐麻痹，功能性失调。
我们经常看到喝醉的人走路摇晃，原因就是中枢神经的麻痹，导致行动迟缓，动作不协调，并且对外界的刺激也不敏感，增加了驾驶员的反应时间。
（2）酒精对于驾驶员的意识和视力也有影响。
酒精的刺激使得驾驶员意识逐渐模糊，而且注意力也下降，视线变得越来越模糊，对道路情况判断不准确。
（3）一般人喝酒后，会对危险意识不足，高估自己的能力和对环境判断不足，再加上各种感观如视线听力、反应等都会大幅下降，因此此时驾车危险极大。
由以上分析我们可以看到，驾驶员饮酒后驾车甚至醉酒后驾车，都是极其危险的，对自己以及其他人的人身财产安全都构成了极大的威胁。
近些年来，媒体以及有关部门持续关注酒后驾驶事件，严查酒后驾驶行为，采取不定期的进行上路临时检查，并且加大宣传力度，提高驾驶员安全驾驶的意识，多方面杜绝酒后驾车的产生。
但由于警力有限，不能够常态化全面的对全市管辖区域进行检查，并且临时检查也会对交通造成暂时性拥堵，对大家出行造成影响，因此单从执法部门监管难以从根本解决问题。
现在国家法律对于醉驾入刑有了明确和严格的要求，对酒驾行为是一种威慑，使得驾驶员从心理上拒绝酒后驾车，这在一定程度上控制了酒驾事故增长。
但少数人依然知法犯法，抱着侥幸心理铤而走险，对公共安全造成了极大的威胁。
因此，单从制度监管和法律宣传不能完全杜绝酒驾事故的发生。
因此必须利用高科技手段从根本上让饮酒的驾驶员不能开动车辆的方法来杜绝酒驾事故的发生。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内酒精检测现状
公安部交管局等多部门对酒驾行为的大力查处，上路对行驶车辆的驾驶员进行酒精检测。
而目前我国过内的针对酒精的检测方法主要有：
（1）呼气式酒精检测仪法[12]
这种是我们在道路上遇到交警路查的时候最常见的一种检测方式，驾驶员对酒精检测仪呼气，屏幕上会显示相应酒精含量，如果超过额定值会发出报警，从而提示酒精含量超标。
这种检测仪内部有一个气体传感器，分为半导体和燃料电池两种形式。
半导体形式的气体传感器采用氧化锡半导体材料，在工作温度区间内，对酒精的敏感度很高，而且其电阻率随着酒精含量的不同而成反比变化。
当酒精含量越高时，电阻率越低；酒精含量越低，电阻率越高。
酒精检测仪反映出来被测者呼气中酒精含量由传感器电阻率决定，检测仪将电阻率的模拟信号转换成数字信号。
而燃料电池形式的气体传感器所使用的气敏元件是燃料电池。
这种传感器内部有一个气化室，当燃料电池在特定催化剂的作用下，在气化室内与酒精进行充分燃烧，形成电能，因此酒精与其产生电能的大小成正比关系，当酒精含量越高时，燃料电池产生的电能越大；当酒精含量越低时，燃料电池产生的电能越小。
被测者的呼气中酒精的含量由燃料电池产生的电能大小所决定，传感器将模拟信号转化为数字信号，从而反映呼气中酒精的含量。
（2）顶空气相色谱法
通常情况下，呼气式酒精检测仪只是快速检测被测者，即机动车驾驶员是否饮酒或者醉酒。
当检测超标时，通常会进行血液检测，以作为行政处罚或者刑事处罚的证据使用。
顶空气相色谱法即是这种可以具有法庭证据效力的酒精检测方法。
它是以叔丁醇作为酒精检测的内标物，可以很精确的测量检测待测血液或者采样的组织器官中，酒精含量的多少。
这种传感器的工作原理是将含有酒精成分的液体（如血液）放在一个特制的瓶子中，加入一定量的叔丁醇作为内标物。
在一定温度下，液体中的酒精与加入的叔丁醇挥发而产生气体在瓶子的顶空部分，当气体和液体达到平衡状态时，此时气体中挥发出来的酒精和叔丁醇的含量，与待测样本中的酒精和叔丁醇成正比。
抽取这样的气体样本，利用气相色谱分析方法，检测该样本中的酒精含量。
（3）乙醇脱氢酶法
该方法同样是去一定量的血液样本，在高氯酸作用下利用离心机将蛋白质沉淀。
将两种酶稀释后将产生的乙醇氧化成乙醛。
在用分光光度计调在340nm出测量器紫外线的吸收值，从而根据这个吸收值计算出抽样血液样本中的酒精含量。
该方法在现实中应用较少，主要是因为首先要通过实验的方法得到相对应的标准曲线，而这个标准曲线直接影响酶的氧化效果，因此实验结果不好掌握。
综上所述，呼气式酒精检测仪由于其应用简单快速，目前应用很广发，多见于交通管理部门日常道路检查执法使用。
而利用顶空气相色谱仪检测血液内酒精含量的方法，一般是在当事人对于呼气式酒精检测仪的测量结果有争议，或者发生了交通事故，需要取证的时候使用。
这两种检测的方法都具有一定法律效力，但收到检测的时间成本、费用成本、现成环境的卫生情况及仪器使用方便等因素影响，导致使用的场合和普及程度会有区别。
此外还有一种唾液检测的方法，可以方便快捷的对道路车辆驾驶员进行酒精检测。
它不同于酒精检测方法，使用试纸对驾驶员唾液进行检测时无痛苦，方便携带，成本低操作简单。
但由于其可靠性能否作为处罚证据使用尚无论证，因此并未推广到我国的交通管理部门大范围使用。
另有一种尚在研发中的检测方式，指纹式酒精检测技术。
它是通过检测手指分泌的汗液内是否酒精超标，来判断是否存在酒驾情况。
在检测的同时可以识别被检测者的指纹特征、脉搏等生理信息，可以起到防代替检测的情况。
1.2.2国外酒精检测现状
由于现实防酒驾措施的需要，某些汽车厂商也率先推出了自己的防酒驾方法和系统。
[13-15]
在2007年萨博就在其新款发布的系列车型上，使用了Alcokey酒精钥匙技术。
这种技术是在这一系列的车型的启动钥匙上，嵌入一种小型的酒精检测装置，它的体积很小，并不让驾驶员感到不便。
当驾驶员想要启动汽车，需要先向该车辆的启动钥匙上的吹气口呼气，钥匙内嵌入的酒精检测装置会自动检测分析呼气，如果其中酒精含量不超标，则要是亮起绿色指示灯，即可启动发动机电脑；如果检测酒精含量超标，启动钥匙会自动锁定发动机电脑，使汽车无法发动。
沃尔沃作为汽车安全的典范，也很早就推出了自己的防酒驾技术。
Alcoguard技术比Alcokey技术更为先进，它可以识别气体是否由人体排出，并且该车设有三个颜色的指示灯，将酒精含量分为三个等级，红色灯表示禁止启动；黄色灯表示不建议驾驶；绿色灯表示可以安全驾驶。
并且沃尔沃某些车型上海研发有酒精探测安全带，也是基于这种酒精检测技术开发的。
日产汽车也自主研发了酒精检测系统。
不同于前两个品牌汽车的检测手段。
日产汽车并没有在汽车启动钥匙上做文章，而是将酒精检测系统直接与电脑相连，将酒精检测传感器放置于司机的作为上方和挡杆上。
当传感器检测到驾驶员有酒驾行为时，汽车会自动锁定车辆变速箱，使车辆无法启动行驶，与此同时导航会发出鸣响报警。
某些车型还在车辆仪表盘位置摄像头装置，综合感应车辆的行驶状态和姿态，并结合驾驶员的闭眼时间长度，来判断驾驶员是否打盹或者饮酒，是否适合继续驾驶车辆。
1.3本文研究内容
本文综合国内外研究的成果，结合我国实际应用，采用呼气式酒精检测方法检测驾驶员是否饮酒，并基于单片机控制继电器动作，切断/接通机动车发动机电脑的防酒驾系统。
本论文首先对研究背景进行介绍，然后分析目前国内外防酒驾技术的发展状况。
结合现有研发思路和科技水平，设计一款简单易操作，并且具有良好移植性的基于单片机的防酒驾系统。
确定基于单片机的防酒驾系统的功能流程后，针对系统功能设计硬件电路。
利用Keil软件编写程序并且进行调试，最后使用Proteus软件对电路和程序进行仿真。
第2章硬件系统设计
2.1系统功能设计
本系统的设计初衷是避免驾驶员酒驾的发生。
因此，当驾驶员上车后，将机动车供电系统打开，汽车电脑控制系统及各部件传感器开始上电自检，与此同时本系统也同时上电，并通过气体传感器监测是否酒精含量超标。
如果未超标，继电器处于常闭状态，不动作，机动车可以正常打火并启动；如果酒精含量超标，继电器断开机动车打火装置，汽车无法启动行驶，红色告警灯敞亮报警。
图2.1防酒驾系统工作流程图
2.2硬件系统概述
根据防酒驾系统的功能及工作流程，应用环境为机动车，考虑到移植性，可靠性，稳定性及成本因素等，选择单片机作为系统的控制芯片。
因此根据系统功能设计要求，硬件系统主要包括以下三个部分：
用于酒精检测的气体传感器模块、单片机控制系统及控制机动车打火装置的继电器。
图2.2基于单片机的防酒驾系统硬件原理框图
2.3气体传感器
酒精检测装置按照本论文1.2.1节分析，分为三种类型的酒精检测方法。
这里我们使用目前应用比较广泛的呼气式酒精检测方法。
这种方法也是交通管理部门上路临时检测酒驾情况时最常使用的方法，具有检测迅速，成本低，体积小等特点。
它的使用方法是驾驶员打开汽车的供电系统后，对车内设置的酒精检测装置呼气，酒精含量未超标的情况下，汽车发动机电脑允许驾驶员发动汽车；否则发动机电脑锁定发动机，使驾驶员无法启动发动机。
一般得酒精含量检测标准，都是以血液中酒精含量作为判断标准和依据，因此呼气式酒精检测方法涉及到呼气中酒精含量与血液中酒精含量的数量转换关系分析。
目前世界上大部分国家都制定了针对酒后驾驶和醉酒驾驶的完备法律，根据国家发达水平以及人们的生活水平不同，其血液内酒精含量的标准值也不同。
一般发达国家会规定比较高，一般为百分之六十至七十；发展中国家由于其收入属于中等水平，其血液内酒精含量的临界值更接近于百分之五十；而低收入的不发达国家通常规定较低，一般为百分之二十左右。
根据我国的国家公共安全行业标准，呼气式酒精检测设备的呼气气体内酒精浓度与血液内酒精浓度存在以下关系式：
（2.1）
其中
表示血液内酒精浓度，
指呼气内酒精浓度，mg/L表示以每升中毫克量的计量单位,即血液酒精浓度在数值上相当于呼气酒精浓度乘以固定系数220.264。
当驾驶员呼出的气体内，酒精的含量大于等于20mg/100mL、小于80mg/100mL的，其驾驶行为构成饮酒驾车；当驾驶员呼出的气体内，酒精的含量大于等于80mg/100mL的驾驶行为即为醉酒驾驶。
序号
呼出气体中酒精浓度
血液中酒精浓度
单位
1
0.0227
5
2
0.0454
10
3
0.0681
15
…
…
…
21
0.6618
150
22
0.9091
200
表2.1呼出气体内酒精浓度与血液内酒精浓度数值对照表
MQ-3是一款酒精浓度检测传感器。
它可以检测人呼出的气体中酒精的浓度。
这种酒精浓度检测传感器具有功耗小、稳定性好、检测响应快、成本低等特点。
MQ-3是一款电阻型半导体氧化物材质的旁热式传感器。
它的气体敏感元件由加热器、
陶瓷管以及
几部分构成，它们被固定在具有检测电极的传感器内部。
是一种N型的半导体材料，它在空气中被氧化后，自由移动的电子减少，因此处于高阻态。
当此时有乙醇气体进入时，会与吸附氧发生反应，起到还原作用，使自由移动的电子增多，半导体的电阻率下降。
气体敏感元件的电阻率与人呼出气体中酒精含量的关系式：
（2.2）
式中m和n都是常数，他们由传感器的材料，呼出气体的属性以及检测环境的温度等因素决定。
C的单位为
。
即为敏感元件的电阻率，它在纯净的空气中电阻率很大；而当空气中含有乙醇时，乙醇浓度越高，
的电阻值越低。
因此通过气体敏感元件，将酒精含量与电阻值形成了对应转换关系。
图2.3酒精检测用半导体气敏传感器MQ-3实物图
由于气体敏感元件所产生的电阻变化，经过电路体现到电压变化时幅度很小。
因此进行电路设计时，需要对气体传感器的输出电压进行查分比例放大。
然后将差分比例放大的电路输出利用可调电阻器进行电路调零。
调零后的结果经过一级云芳跟随电路，这样可以增加电路的稳定性。
具体设计原理图如下：
图2.4气敏传感器模块电路原理图
2.4单片机控制系统
单片机种类繁多，其中AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
它是AT89C51的升级版本，不仅增加了功能，还具有在线可编程功能，更方便了程序调试。
单片机控制系统包括单片机、电源电路、复位电路及晶振电路几部分组成，它们构成了单片机的最小系统。
图2.5单片机最小系统
2.5继电器模块
继电器模块主要由继电器及其驱动电路组成。
其作用是，根据单片机输出的信号接通汽车发动机打火装置；或者是切换到酒精检测超标的告警灯，从而切断汽车发动机打火装置。
从单片机发出的驱动信号经过一个三极管放大电路后，连接到继电器的信号输入引脚。
图2.6继电器模块电路原理图
2.6电源模块
机动车的蓄电池电压主要有12V和24V。
作为小型家用车，一般蓄电池电压为12V，因此本设计采用12V电源输入，经过一个起稳压作用的三端稳压集成电路LM7805电路后，为单片机最小系统、传感器模块及继电器模块的提供电源输出。
旁路滤波电容可以减少由于电压波动而带来的对电路信号和供电的影响，从而提高系统的噪声容限。
图2.7电源模块
2.7硬件电路原理图
2.7.1开发环境介绍
在电子电路设计中，应用最广泛的EDA辅助进行印刷电路板设计的软件就是由Altium公司设计开发的AltiumDesigner软件（前身是Protel软件）。
它是目前行业中公认的操作简便快捷，最方便，人机交互界面最人性化的辅助设计工具。
并且我们在大学阶段也学习过该软件的设计使用。
虽然各种版本的印刷电路板辅助设计软件很多，并且有多个年代版本，但很多印刷电路板的制板场也都默认接受protel99se版本文件，可见其在行业内的地位举足轻重。
AltiumDesigner是一款将电子产品设计所需的开发环境整合到一起，形成一个软件的集成平台。
它可以提供设计任务所需的所有工具，例如原理图、PCB设计，HDL设计输入，信号完整性分析，基于FPGA的嵌入式系统设计和开发等等。
在本毕业设计中用到了AltiumDesigner软件的原理图设计模块功能。
2.7.2硬件原理图设计
打开AltiumDesigner软件，创建工程文件并在其目录下新建一个原理图文件。
设置文件属性参数，例如光栅格等参数。
在元器件库中选择所需要的元器件，放置在工作区内。
根据上几节内容，调整元器件位置摆放，并修改元器件参数，进行连线并自动命名。
对电路进行电气规则检查。
系统的硬件电路原理图如下：
图2.8基于单片机的防酒驾系统电路原理图
第3章软件程序
根据第2.1节的系统功能介绍，本系统上电后自动运行，完成系统的初始化后，主程序运行，系统自动检测传感器状态。
当酒精含量检测超标时自动切断发动机打火装置；否则可以正常启动发动机。
其软件流程如下图：
图3.1系统软件流程图
利用KeilμVision4编写并且编译软件程序。
根据原理图，单片机的P0.0引脚呼气式酒精检测装置的信号输入端。
P0.2引脚为控制继电器的信号输出端。
因此其主程序如下：
#include
sbitrelay=P0^2;//定义继电器引脚
sbitsensor=P0^0;//定义酒精传感器引脚
voidmain（）
{
while
（1）
{
if（sensor==0）//判断酒精传感器状态
{
relay=0;
}
else
{
relay=1;
}
}
}
第4章电路仿真
使用KeilμVision4编写程序代码并且编译通过后，就可以对硬件实物或者软件仿真进行测试。
在本论文将使用Proteus软件对电路原理图以及软件程序进行电路仿真。
Proteus是由一家英国公司，LabcenterElectronics开发的计算机辅助设计软件。
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