酒后駕駛發動機自鎖系統的研究與開發

阮觀強

（上海電機學院 汽車學院，上海 200245）

0 引言

2008年世界衛生組織的事故調查顯示，大約50% 60%的交通事故與酒后駕駛有關，酒后駕駛已經被列為車禍致死的主要原因。在中國，每年由于酒后駕車引發的交通事故達數萬起；而造成死亡的事故中50%以上都與酒后駕車有關，酒后駕車的危害觸目驚心，已經成為交通事故的第一大“殺手”。2010年8月，十一屆全國人大常委會第十六次會議將首次審議刑法修正案（八）草案，醉酒駕駛或被判刑。

雖然近年來國家對酒后駕駛的執法力度越來越嚴厲，但由于交警部門抽查實施面小，無法對酒后駕車進行更有效的控制。所以，設計一種酒精探測安全控制系統，將從技術層面上有效避免酒后駕車現象。本文提出了一種酒后駕駛發動機自鎖系統，單片機的應用使系統結構簡單，性能穩定可靠，并采取了有效的防作弊措施。

1 系統結構及方案設計

1.1 系統結構設計

系統采取對駕駛員的呼氣中酒精含量進行檢測的方式，對駕駛員是否酒后駕車進行判斷，系統結構方案設計如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 系統結構框圖

當駕駛員打開車門電子鎖時，該系統即接通電源，等到駕駛員上車直到準備起步，酒精探測器早已預熱好，開始工作。酒精探測器位于方向盤中心，有利于最大限度地檢測駕駛員呼氣中的酒精含量。所測氣體中的酒精含量的濃度與酒精探測器檢測后產生的電壓值成比例。檢測信號通過處理轉換成數字信號輸入到單片機，單片機對此信號進行處理判斷：若酒精含量低于閥值，系統不作為，汽車正常起步行駛；若酒精含量在閥值以上，則單片機立即啟動步進電機轉動球芯式油閥，切斷油路，發動機熄火。由于系統對酒精含量全時監控，油路的通斷決定于酒精含量是否低于閥值，這就使駕駛員無法在酒后情況下找人代替開鎖或者實現飲用大量飲料以掩蓋酒氣。

2 硬件設計

2.1 酒精探測器

本系統并非采用主動呼氣的方法，而是采用被動監測的方式，一旦檢測到酒精含量超標，即采取自鎖措施。因此，系統對酒精傳感器有著較高的精度要求。為此，在本系統裝置中，采用漢威電子先進的納米半導體熱線型傳感器，其響應、恢復迅速，具有極好的的靈敏度和出色的重復性。測試響應時間小于2s；測量范圍：0.00 1.00mg/L (0.00 0.20%BAC, 0.00 2.00g/L)；報警濃度：0.24mg/L (0.05%BAC, 0.5g/L)；精確度：±10%F.S。

2.2 單片機及數模轉換

2.2.1 AT89S52單片機

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，1000次擦寫周期、256字節RAM、全靜態操作：0Hz 33MHz、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數器、八個中斷源、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數據指針、掉電標識符。

2.2.2 模數轉換器

模數轉換器的功能是將模擬信號轉換成的數字信號送入微機處理，在本系統中，數模轉換器就是將酒精傳感器的采樣信號轉換成單片機能處理的數字信號，是連接處理器和外部元件的橋梁，數模轉換效果的好壞直接影響著這個系統的工作質量。

由于本系統在工作原理上采用人員被動、系統主動的監測方式，故整個系統快速的數據傳輸與處理，對數模轉換的速度有了較高的要求。為此本系統采用高速模數轉換器AD9057。AD9057是美國ADI (Analog Device International)公司生產的高速模數轉換器，它速度高、功耗低、尺寸小、價格低廉、使用方便，具有最高80MHz的采樣頻率。

2.3 斷油步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

本系統采用四相混合式步進電機，其步距角為0.9°/1.8°（表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°），它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。

步進電機的轉軸與球芯式油閥的閥芯連接，步進電機轉動90°，油閥剛好完全切斷油路。此時，步進電機需要50個脈沖來完成轉動90°。四相混合式步進電機一般由兩相驅動器來驅動，因此，連接時可以采用串聯接法或并聯接法將四相電機接成兩相使用。串聯接法一般在電機轉速較低的場合使用，此時需要的驅動器輸出電流為電機相電流的0.7倍，因而電機發熱小。由于系統對步進電機的轉速要求不高，因此，在這里步進電機采用串聯接法。

圖2 步進電機驅動電路圖

步進電機的驅動方式，都是對各個相一次有序的發送脈沖，發送的頻率高就轉得快。其中每一個脈沖步進電機轉動一個固定的角度。然而單片機不能直接驅動步進電機：一是單片機驅動力不夠，二是電動機屬于感性負載會有反電動勢，容易在一個脈沖結束后產生反電動勢灌入單片機從而損壞單片機。所以需添加驅動電路來增加單片機的驅動力才能驅動步進電機。如圖2所示。

2.4 語音提示器

語音提示裝置使用揚聲器，并采用語音處理芯片AC48105進行連接。

3 軟件設計

系統程序由主程序、數據采集與A/D轉換子程序、語音提示子程序與斷油子程序、語音提示和斷油回復子程序、中斷子程序。系統程序采用C語言編程，模塊化設計。

3.1 主程序設計

主程序完成系統初始化、調用子程序以及數據處理等功能。具體流程圖如圖3所示。

3.2 數據采集與A/D轉換子程序

啟用酒精傳感器和模數轉換器，進行數據采樣和模數轉換。

3.3 語音提示和斷油子程序

控制揚聲器發出聲音，步進電機轉動切斷油路。在系統循環中，如果上次循環進行了語音提示和斷油操作，此次循環酒精濃度如若仍超過閥值，則語音提示和斷油操作保持不動。

圖3 主程序流程圖

3.4 語音提示和斷油回復子程序

上一循環中進行了語音提示和斷油，此次酒精含量未超過閥值，則調用回復子程序控制揚聲器停止警報，斷油電機回轉，恢復供油。

3.5 中斷子程序

主要進行掉電保護，是為了中斷子程序執行完以后能夠返回到你程序中斷點，即產生中斷的地方，使程序能夠繼續向下執行。

4 實驗

根據該系統的工作原理將硬件系統和軟件系統整合在一起，裝機進行實驗。實驗分成四組，第一組為只有駕駛員飲酒過量，第二組為只有乘客飲酒過量，第三組為駕駛員與乘客都飲酒過量，第四組為駕駛員與乘客都未喝過酒。（酒精濃度為20mg/100ml 80mg/100ml）

經試驗測試,在酒精探測器測得車內酒精濃度超過20mg/100ml時，揚聲器就會發出警告聲音，此時需要對駕駛員進行身份確認并對其進行單獨測試，若測得駕駛員為酒后駕駛則無法啟動發動機，若測得駕駛員不是酒后駕駛，則發動機可以正常啟動。

5 結束語

本文設計的酒后駕駛發動機自鎖系統突出其隱性化和防作弊的特點。一般的酒精鎖，在每次開車之前，都必須要向其主動呼氣，讓人不耐煩，而該酒后駕車自鎖系統在正常未飲酒開車的情況下，如同不存在。其全時監測功能更是讓駕駛員無法作弊。既顧及了駕駛員的耐心，又避免了駕駛員因酒后駕車帶來的安全隱患。人性化的設計和出色的安全效能將使該系統具有很好的應用前景。

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