基于MSP430的車載防醉駕安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高云霞，李清華，吳凱凱，張 林，高景剛

（長(zhǎng)安大學(xué) 電控學(xué)院，陜西 西安710064）

自2011年5月1日起，刑法修正案（八）和修改后的《道路交通安全法》正式實(shí)施，醉酒駕車將被追究刑事責(zé)任。隨著醉駕被以危險(xiǎn)駕駛罪判處拘役的真正實(shí)施，媒體和社會(huì)各界對(duì)醉駕入刑問(wèn)題更為關(guān)注。各個(gè)國(guó)家對(duì)有關(guān)酒精測(cè)試的儀器種類繁多，但因沒(méi)有安裝在汽車內(nèi)部,而只能由交警手持儀器定點(diǎn)一對(duì)一地抽查，使得醉駕檢查實(shí)施的范圍狹窄，無(wú)法主動(dòng)消除這一危險(xiǎn)駕車行為，也就不能完全杜絕醉駕所引發(fā)的交通事故。

因此希望設(shè)計(jì)一款車載防醉駕安全系統(tǒng)，此車載防醉駕控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩部分，其中酒精濃度檢測(cè)判斷部分安裝在汽車方向盤附近，以便駕車人呼氣檢測(cè)；第二部分是酒精濃度超標(biāo)控制點(diǎn)火部分，這部分電路與汽車點(diǎn)火器相連，控制點(diǎn)火和報(bào)警電路。這樣就可以實(shí)現(xiàn)全范圍的主動(dòng)禁止醉駕。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的工作原理是當(dāng)司機(jī)發(fā)動(dòng)汽車時(shí)，指示燈亮提示用戶裝置啟動(dòng)，提示司機(jī)必須首先對(duì)酒精傳感器呼氣，該氣體經(jīng)傳感器、檢波放大和AD轉(zhuǎn)換等處理后，輸入到主控芯片中進(jìn)行判斷，如果超過(guò)閾值電壓，則蜂鳴器發(fā)聲則無(wú)法啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，也就意味汽車發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法點(diǎn)火，此時(shí)語(yǔ)音報(bào)警電路會(huì)啟動(dòng)報(bào)警。反之，如果測(cè)試酒精含量沒(méi)有超標(biāo)，則顯示器提示酒精濃度正常，汽車可正常打火啟動(dòng)。如圖1所示為該系統(tǒng)的總體原理框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 System overall schematic diagram

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心控制模塊是美國(guó)TI公司的MSP430F149，該芯片的亮點(diǎn)在于低功耗，片上外圍模塊豐富，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，符合現(xiàn)代環(huán)保的理念；特別是該芯片自帶10位和12位ADC轉(zhuǎn)換，使用方便，完全滿足現(xiàn)實(shí)生活中駕車的實(shí)際要求。

1)酒精濃度采集

酒精濃度采集輸入端選用酒精濃度傳感器MQK2器件。它采用燒結(jié)半導(dǎo)體形成的敏感燒結(jié)體，該制作工藝保證了其長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性；對(duì)乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性，信噪比高且功耗低；這些特點(diǎn)都符合司機(jī)自測(cè)醉駕操作需求。

MQK2主要由氣敏器件和電阻絲組成，VH接5 V加熱電壓，能將電阻絲加熱到270～300℃；Vc接工作電壓（范圍5－24 V）；本系統(tǒng)外接電壓取+5 V，取樣電阻RL=2 kΩ，這樣經(jīng)圖2電路就可將MQK2傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化，從而可以通過(guò)MSP430F149內(nèi)部的A/D器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供單片機(jī)處理。

圖2 MQK2原理電路Fig．2 MQK2 principle circuit

考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，傳感器輸出的是0～3．3 V的電壓且壓值穩(wěn)定，因酒精傳感器輸出的電壓范圍為3～5 V，，所以不能直接將酒精傳感器輸出值直接給單片機(jī)。由文獻(xiàn)[1]可見酒精含量與酒精傳感器檢測(cè)后產(chǎn)生的電壓信號(hào)成線性比例關(guān)系，故可選擇用一個(gè)通用的比例電路轉(zhuǎn)化到單片機(jī)電壓范圍。此設(shè)計(jì)電路中用滑動(dòng)變阻器代替酒精傳感器，就可直接把傳感器輸入的模擬量用滑動(dòng)變阻器電壓輸入的變化送入單片機(jī),由此得到的酒精濃度和電壓的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和報(bào)警模塊

當(dāng)酒精含量超標(biāo)時(shí)，用蜂鳴器和一個(gè)8550三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)提示司機(jī)酒駕。指示燈是一個(gè)發(fā)光二極管接至單片機(jī)，加1～2 kΩ電阻限流。當(dāng)酒駕時(shí)單片機(jī)的輸出口P6．7置1，同時(shí)8550三極管放大單片機(jī)的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。而當(dāng)正常使用時(shí)用輸出口p5．0置1，再加一個(gè)限流電阻，防止電流過(guò)高而燒壞二極管。

這里用步進(jìn)電機(jī)代替現(xiàn)實(shí)中汽車的點(diǎn)火，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就意味汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，反之則汽車不能啟動(dòng)。因單片機(jī)輸出電流無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以需要用驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。基于理論分析和實(shí)際情況擬定選擇步進(jìn)電機(jī)和LN298作為硬件電路。

綜上所述，系統(tǒng)用LCD12864顯示模塊提供人機(jī)交互的界面，ADC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊用于在12864屏上顯示檢測(cè)信息，并和輸入的模擬量對(duì)應(yīng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)和報(bào)警模塊負(fù)責(zé)當(dāng)輸入的模擬量過(guò)高時(shí)，報(bào)警提示用戶，并顯示酒精含量的相關(guān)信息；或輸入模擬量沒(méi)標(biāo)時(shí)提示用戶可正常打火總體。

3）主要元器件

綜上對(duì)硬件的描述，本設(shè)計(jì)中所用的主要元器件及其參數(shù)如表1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖及編譯成功截如圖3和4所示。系統(tǒng)上電后要對(duì)各模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，判斷是否發(fā)出聲音和光報(bào)警，同時(shí)將計(jì)算所得酒精濃度值送LCD12864顯示。

表1 主要元器件參數(shù)表Tab.1 The main components parameters

圖3 主程序流程圖Fig．3 The main program flow chart diagram

圖4 編譯器程序編譯成功截圖Fig．4 The compiled successfully diagram of program

4 實(shí)物調(diào)試電路

如圖5整個(gè)電路由兩部分電路組成：MSP430F149系統(tǒng)板上的硬件資源（LCD12864顯示屏、蜂鳴器、發(fā)光二極管等）和一塊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊電路（LN298的驅(qū)動(dòng)模塊和直流電機(jī)）。

圖5 實(shí)物調(diào)試電路Fig.5 The physical circuit debugging diagram

當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，12864顯示屏顯示歡迎 （如圖6左圖），當(dāng)酒精含量高于設(shè)定值時(shí)，圖6中顯示醉駕信息，同時(shí)電機(jī)就被禁止也就意味著發(fā)電機(jī)的點(diǎn)火裝置被靜止。若判斷酒精含量正常則提示可以安全駕駛車（如圖6右圖）。

圖6 顯示信息Fig.6 The display information

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)對(duì)車載防醉駕安全控制系統(tǒng)進(jìn)行了的軟硬件電路設(shè)計(jì)，并對(duì)基于32位低功耗主控芯片MSP430為核心芯片的試驗(yàn)性電路進(jìn)行了軟硬件聯(lián)合調(diào)試，證明了設(shè)計(jì)電路的可行性和正確性。該硬件電路簡(jiǎn)單且成本低廉，軟件設(shè)計(jì)模塊化便于調(diào)試，具有一定的擴(kuò)展和應(yīng)用價(jià)值。但車載醉酒禁駕系統(tǒng)與人的主觀能動(dòng)性關(guān)系密切，如何智能識(shí)別酒精傳感器接收到的氣體是否為將要駕車本人所呼出,這方面還需做進(jìn)一步研究。

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