車載酒精濃度在線測控系統

李致金，李 峰，唐偉偉，楊金虎

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044）

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”，而酒后駕駛者往往存在“僥幸心理”，認識不到酒后駕駛的嚴重后果，發生很多僥幸酒后駕駛造成的慘劇。隨著中國經濟的騰飛，汽車變得越來越普遍，解決酒后駕車的問題也變得迫在眉睫。

目前主要的防控手段是通過外置的酒精儀器測試駕車人的酒精含量是否超標，由于沒有安裝在車內，總會有人酒后駕車而不能被發現，所以不能有效減少酒后駕車的現象。而之前設計的車載酒精檢測系統由于過于單一[1]，導致測量結果不太準確。

鑒于此設計這種車載酒精濃度在線測控系統，由于采用多個傳感器檢測，能有效檢測車內的酒精濃度，同時通過無線傳輸數據，非常有利于在車上的裝載。

1 系統結構和工作原理

1.1 系統結構

該系統由3個發射機和一個接收機，其中3個發射機分別放在駕駛員區（主駕駛員的方向盤中間處，稱為A區），副駕駛區（稱為B區），和兩個位置的中間（成為C區）。發射機以STM32F103為控制核心，由傳感器采集系統、模式轉換電路、無線信號發射電路組成。接收機以STM32F103為控制核心，由無線信號接收電路、語音報警電路等部分組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system

1.2 系統工作原理

當司機發動汽車時，系統啟動，此時發動機處于被鎖狀態，汽車無法啟動。3個酒精傳感器加熱后，3個發射機對酒精進行檢測，由于酒精含量與酒精傳感器檢測后產生的電壓信號成特定的比例關系，因而可根據電壓信號酒精含量的判斷。檢測到的信號經過調零和放大后，通過微處理器內部AD轉換為數字信號，由微處理器對此酒精信號進行處理，由無線模塊發送給接收機，每500 ms發送一次。接收機對3個傳感器發送的酒精濃度信號進行處理和判斷。假設駕駛員酒精含量超標，同時車不在行駛中，則進行聲音報警，控制繼電器切斷汽車制動系統里點火裝置的電源，駕駛人員無法啟動汽車。若汽車在行駛中檢測到酒精含量超標，則一分鐘后控制繼電器切斷點火裝置電源，并且進行聲音報警。若駕駛員酒精含量不超標，則繼電器不起作用，車可以正常啟動和行駛。

2 系統硬件設計

2.1 主控電路設計

STM32F103RBT6是基于Cortex-M3內核的是新型的32位嵌入式微處理器[2]，STM32F103系列的微處理器，有多達51個快速I/O端口，所有I/O口均可以映像到16個外部中斷，幾乎所有端口都允許5 V信號輸入；每個端口都可以由軟件配置成輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或其他的外設功能口；內部有2個12位模數轉換器，多達16個外部輸入通道，其轉換速率可達到1 MHz，轉換范圍為0～36 V，具有雙采樣和保持功能；內部包含多達7個定時器。它擁有非常高的性能和極低的中斷延遲，在汽車電子中有著重要應用。

本設計選用STM32F103RBT6為主控芯片。在發射機處，微處理器通過控制內部自帶的AD轉換器把酒精傳感器經過調理電路后的模擬量轉為數字量，然后控制無線發射模塊向接收機發射數字信號。在接收機處，微處理器控制無線接收模塊接收三個位置的酒精濃度信號，經過軟件處理，控制聲音報警模塊和汽車制動系統處的繼電器。

2.2 信號調理電路

信號的采樣模塊電路[3]如圖2所示。MQ-3的加熱電阻兩端即5引腳接至+5 V直流穩壓電源，用于對敏感體電阻的加熱。MQ-3的兩個A引腳（即4和6引腳）相連，MQ-3的兩個B引腳（即3和1引腳）也連接在一起，將A端接到2.5 V的電源正極，B端接200 kΩ電阻。

圖2 信號調理電路Fig.2 Signal condition circut

MQ-3型氣敏傳感器[4]與200 KΩ電阻串聯構成分壓電路，采樣點為電阻的分壓。MQ-3型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物SnO2的N型半導體微晶燒結層構成。當其表面吸附氣體酒精分子時，它表面的導電電子比例會發生變化，從而表面電阻會因為被測氣體濃度的變化而變化。當氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發生變化時，對應的電阻兩端的分壓值也會發生相應的改變，即一個電壓值對應著一個被測酒精氣體濃度。對酒精氣體濃度的采樣就可以轉化為對電阻兩端電壓的采樣，實驗時在試管中配置酒精水溶液r封存一段時間用來模擬呼出的酒精氣體。

在采樣硬件電路中考慮到MQ-3的實際技術參數，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該部分應與2.5 V的電源正極相連。因為實驗所用的MQ-3通過預熱3～5 min，它的敏感體電阻為120 kΩ，所以負載電阻選用200 kΩ的電阻，構成采樣部分的分壓電阻。

LM324[6]是一個集成了4個通用運放放大器的集成芯片，這里使用了其中的3個運放。

采樣的電壓先通過一個電壓跟隨器，再經過一個運放調零，然后通過運放放大成0～3.6 V，使輸出電壓范圍控制在微處理器內部AD轉換器的輸入電壓范圍內。

2.3 聲音報警電路

聲音報警電路采用芯片ISD4004[7]。

ISD4004系列工作電壓3 V，單片錄放時間8～16 min，音質好，適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片采用CMOS技術，內部含有振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口（SPI或Microwire）送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。片內信息存于閃爍存貯器中，可在斷電情況下保存100年（典型值），反復錄音10萬次。

把所要播放的報警錄音通過電腦合成軟件合成兩種語音：1“請尊重生命，杜絕酒后駕駛”，2“警告：你已經酒后駕駛，車將在一分鐘后自動停止”，分別從兩個語音地址把聲音錄入語音芯片中，根據語音地址的不同即可播放兩種語音。此芯片的SS腳、MOSI腳、SCLK腳分別與微處理器的PA1、PA2、PA3相連。具體實現電路如圖3所示。

2.4 無線傳輸電路

2.4.1 無線傳輸電路1

此電路選用NRF24L01[8]作為核心芯片，實現傳送酒精濃度數據的功能。此芯片是NORDIC公司生產的一款無線通信芯片，使用2.4G全球開放的ISM頻段，采用FSK調制，抗干擾能力強。可以實現點對點或是1對6的無線通信，無線通信速度可以達到2 Mbps。車內3個不同位置的發射機選用不同的發射地址，接收機使用3個無線通道接收各個位置的酒精濃度（數字信號），送給微處理器處理和判斷。無線傳輸電路1具體實現如圖4所示，其中NRF芯片的CE腳、CSN腳、SCK腳、MOSI腳、MISO腳、IRQ腳分別于微處理器的 PA4、PC4、PA5、PA7、PA6、PC5 腳相連。

圖3 聲音報警電路Fig.3 Audible alarm circuit

圖4 無線傳輸電路1Fig.4 Wireless transmission circuit 1

2.4.2 無線傳輸電路2

此電路選用PT2262/PT2272作為核心芯片[9]，實現傳輸信號控制汽車點火裝置處的繼電器通斷的功能。這是一對帶地址、數據編碼功能的無線遙控發射/接收芯片，其中PT2262為發射芯片，PT2272為接收芯片。PT2262/PT2272最多可有12位（A0-A11）三態地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平），任意組合可提供531441地址碼，PT2262最多可有6位（D0-D5）數據端管腳，設定的地址碼和數據碼從17腳串行輸出，可用于無線遙控發射電路。解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時相應的數據腳也輸出高電平。PT2262的2腳到8腳作為地址碼，PT2262的11腳D0與微處理器的PB0相連，作為發送的數據端。PT2272的2腳到8腳作為地址碼與PT2262相同，PT2272的11腳D0與控制汽車的點火裝置的繼電器相連。

2.5 其他硬件電路

AD轉換：這里使用STM32F103RBT6內部的ADC，它是一種12位逐次逼近型的模擬數字轉換器[2]，它的AD最大轉換速率為1 MHZ，ADC轉換分為2個通道組：規則通道組和注入通道組。規則通道組相當于正常的程序，而注入通道相當于中斷。規則通道組最多包含16個轉換，注入通道組最多包含4個通道，可以進行很多種不同的轉換模式。本次設計根據實際需要，使用規則通道組的單次轉換模式。將信號調理電路輸出的模擬電壓與PA0相連，設置PA0為模擬輸入，每隔500 ms讀取AD轉換輸出的數值，送給微處理器處理。

判斷汽車行駛狀態電路：采用霍爾元件A3144[10]，霍爾傳感器是對磁敏感的傳感元件，使用霍爾傳感器可以獲得脈沖信號，其機械結構較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現旋轉一周，獲得多個脈沖輸出，以此就能夠判斷汽車是否處于行駛狀態。顯然，如果沒有信號輸出，則可判斷汽車處于停止狀態。

3 軟件設計

軟件部分根據系統功能進行模塊化編程。系統發射機主程序流程圖如圖5所示，系統初始化，對酒精傳感器進行加熱，然后采集酒精含量電壓信號，并每隔500 ms發射給接收機。

圖5 發射機流程圖Fig.5 Flow chart of transmitter

接收機主程序流程圖如圖6所示，微處理器接收3個位置的酒精濃度信號，然后進行數據融合，可以認為酒駕的情況如下：1）A區的酒精濃度超標，且A>C>B（A區的酒精濃度大于C區的酒精濃度大于B區的酒精濃度），這是只有駕駛員喝酒的情況；2）A區的酒精濃度超標，B區的酒精濃度超標，且A>C，B>C（A區的酒精濃度和B區的酒精濃度都大于C區的酒精濃度），這是駕駛員和副駕駛都喝酒的情況。不認為酒駕的情況如下：1）A區的酒精濃度超標，但B>C>A，這是副駕駛喝酒而駕駛員沒有酒駕的情況；2）A區的酒精濃度不超標。

若系統認為駕駛員酒駕，且車剛啟動，則接收機發射無線控制信號，控制切斷點火電路并發出聲音報警1：“請尊重生命，杜絕酒后駕駛”，駕駛人員不能發動汽車；如果系統檢測到車已經行駛，則在一分鐘后切斷汽車發動機的點火電路并發出聲音報警2：“警告：你已經酒后駕駛，車將在一分鐘后自動停止”。若系統不認為酒駕，則車可以正常啟動和正常行駛。

圖6 接收機流程圖Fig.6 Flow chart of receiver

4 結束語

車載酒精在線測控系統是為預防交通事故發生情況而設計的。文中通過對各個電路功能及軟件工作流程的闡述，對整個系統進行了介紹。由于本系統采用多傳感器和無線傳輸數據，可以準確測量和方便安裝在汽車上，智能化程度高，功耗低，可靠性高，對預防酒后駕車具有良好的效果，在實際應用中具有很好的推廣價值。

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