基于氣體傳感技術(shù)車載防酒駕系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

牛春亮+李明澤+孫晶

摘 要：由于酒后駕車極容易引發(fā)交通事故，為了進(jìn)一步避免事故發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了一種防酒駕車載酒精檢測裝置。本系統(tǒng)直接與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相連，不僅能夠精準(zhǔn)的判斷駕駛員體內(nèi)酒精含量是否超標(biāo)，而且能夠根據(jù)結(jié)果迅速反應(yīng)，拒絕醉酒駕駛員啟動(dòng)汽車，從而在根源上規(guī)避酒駕，為安全駕駛提供技術(shù)保障，有降低酒駕事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：防酒駕系統(tǒng)；非接觸式；酒精檢測；車載式

中圖分類號(hào)：S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170431078

前言

汽車在帶給人類便捷和舒服的同時(shí)，也帶來許多安全問題。酒后駕駛所導(dǎo)致的結(jié)果通常是最為嚴(yán)峻的，如何避免酒駕事故也成為科研人員研究熱點(diǎn)。自“醉酒駕駛”正式入刑，對于酒駕的處罰已經(jīng)非常嚴(yán)厲，但酒后駕駛還是屢禁不止。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的防酒駕車載酒精檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)可以敏感的識(shí)別駕駛員體內(nèi)酒精含量是否達(dá)到了酒駕標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)結(jié)果控制發(fā)動(dòng)系統(tǒng)停止啟動(dòng)，從而在根源上避免酒駕行為，為安全駕駛提供技術(shù)保障，能夠有效減少酒駕事故的發(fā)生。

1 設(shè)計(jì)原理

本文所研究的基于單片機(jī)控制的防酒駕車載酒精檢測系統(tǒng)主要從硬件和軟件2個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。平臺(tái)基于MSP430FG4619單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，通過搭載具有超高靈敏度的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)酒精濃度的靈敏檢測。為了防止駕駛員主觀拒絕檢測，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為自動(dòng)模式。通過檢測駕駛員的呼出氣體來進(jìn)行酒精濃度監(jiān)測，因此為了使結(jié)果更精確，將傳感器放置于方向盤上，并就近將系統(tǒng)放置于汽車儀表盤處[1，2]。

系統(tǒng)的工作原理可以分為5個(gè)階段：激活，系統(tǒng)連接車門，當(dāng)車門鎖傳感器感應(yīng)到了打開的信號(hào)時(shí)，酒精傳感器被激活進(jìn)入預(yù)熱狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)的紅色指示燈被點(diǎn)亮；壓力檢測，當(dāng)駕駛員就座時(shí)，啟動(dòng)壓力傳感器，并開啟語音提示功能，此時(shí)駕駛員可以進(jìn)行啟動(dòng)汽車的動(dòng)作，但因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于被系統(tǒng)鎖定的狀態(tài)，因此汽車并不會(huì)發(fā)動(dòng)；檢測，當(dāng)酒精傳感器完成預(yù)熱后，系統(tǒng)會(huì)點(diǎn)亮綠色指示燈，此時(shí)酒精傳感器開始對車內(nèi)的酒精含量進(jìn)行探測，從而由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過檢測這一系列數(shù)值中的最大值，就能夠計(jì)算出對應(yīng)的酒精濃度，濃度結(jié)果通過LCD液晶顯示器進(jìn)行顯示；判定，系統(tǒng)內(nèi)置了判別程序，當(dāng)檢測結(jié)果超出正常范圍時(shí)，超標(biāo)指示燈被點(diǎn)亮，此時(shí)聲光警報(bào)會(huì)被觸發(fā)，通過語音告知駕駛員不能繼續(xù)駕駛車輛，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)開啟控制繼電器，令其執(zhí)行切斷點(diǎn)火裝置，使得汽車不能發(fā)動(dòng)；駕駛檢測，在汽車正常啟動(dòng)的情況下，系統(tǒng)的控制部分進(jìn)入低功耗模式，僅保留酒精傳感器部分進(jìn)行工作，以便隨時(shí)監(jiān)測駕駛員是否在駕駛中途飲酒，當(dāng)其接收到超標(biāo)信號(hào)時(shí)，立即激活控制儀，提示駕駛員停止駕駛[3-5]。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由MSP430FG4619單片機(jī)控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、酒精傳感器模塊、車門鎖傳感器、壓力傳感器、控制繼電器、LCD液晶顯示、LED指示燈和語音報(bào)警等構(gòu)成。

2.1 MSP430FG4619單片機(jī)控制器

綜合考慮性能、功耗、成本、穩(wěn)定性以及體積等各個(gè)方面后，研究選用了MSP430系列中的MSP430FG4619單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建平臺(tái)，它具集成度高，故障率低，對酒精傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判定其是否超標(biāo)，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)能否啟動(dòng)。

2.2 傳感器

飲酒后的駕駛員呼出含有酒精分子的氣體，通過氣敏式傳感器，可以敏銳地捕捉到氣體中的酒精濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對駕駛員飲酒狀況的評(píng)判。MQ-3氣體傳感器在靈敏探測方面具有較為明顯的優(yōu)勢：對乙醇蒸汽具有極強(qiáng)的靈敏度（靈敏度≥5）和較寬的探測范圍（10-1000ppm）；反應(yīng)及恢復(fù)都很快（響應(yīng)時(shí)間≤10s）；使用壽命長，穩(wěn)定性好；驅(qū)動(dòng)電路簡單實(shí)用；價(jià)格低廉，有效降低成本。另外，系統(tǒng)還配備了車門鎖傳感器和壓力傳感器，前者用于判斷車門是否被打開，后者則用于判斷駕駛員是否就坐于駕駛位上。因?yàn)橄到y(tǒng)控制了車輛的發(fā)動(dòng)系統(tǒng)，如果檢測系統(tǒng)不啟動(dòng)，那么車本身也無法發(fā)動(dòng)，只有讓車門鎖傳感器檢測到開門信號(hào)，壓力傳感器檢測到就坐信號(hào)，系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)酒精檢測，而此時(shí)無論駕駛員愿意與否都會(huì)被系統(tǒng)采集到酒精濃度信息，隨后根據(jù)結(jié)果系統(tǒng)進(jìn)行切斷或者不切斷點(diǎn)火裝置電源的行為，實(shí)現(xiàn)杜絕酒駕的目的[6-8]。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換器

MSP430FG4619IPZ單片機(jī)中包含一塊12位的ADC，其最大穩(wěn)定采樣速率可達(dá)200KSPS，在精度和速度上都能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求，因此為了節(jié)約硬件資源并簡化設(shè)計(jì)難度，系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分直接使用了這一A/D芯片。

2.4 語音報(bào)警電路

語音報(bào)警芯片采用具有單片機(jī)內(nèi)核的WT588D。該芯片用于對車內(nèi)駕駛員進(jìn)行語音播報(bào)，主要實(shí)現(xiàn)2大功能：在綠色指示燈亮起時(shí)，表明駕駛員已經(jīng)就坐，此時(shí)發(fā)出聲音提示駕駛員酒精檢測系統(tǒng)啟動(dòng)；在酒精濃度檢測結(jié)束后，依據(jù)結(jié)果是否超標(biāo)告知駕駛員能否繼續(xù)行駛。

2.5 指示燈電路

為了讓系統(tǒng)狀態(tài)更為直觀，引入了紅黃綠3個(gè)顏色的指示燈。紅燈的亮暗昭示系統(tǒng)是否處于工作狀態(tài)。綠燈用于告知駕駛員是系統(tǒng)否在進(jìn)行監(jiān)測。黃燈用于顯示警報(bào)，一旦結(jié)果顯示超標(biāo)則黃燈會(huì)被點(diǎn)亮，控制繼電器被激活，汽車不能正常啟動(dòng)。同時(shí)黃燈還具有閃爍功能，酒精濃度越高其閃爍越快。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

以MSP430FG4619單片機(jī)為核心，用C語言進(jìn)行編寫。實(shí)現(xiàn)的功能包括車門檢測、壓力檢測、酒精濃度檢測、超標(biāo)甄別、檢測結(jié)果顯示、語音播報(bào)等。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先需要初始化，需專業(yè)人員密碼驗(yàn)證才能進(jìn)行報(bào)警參數(shù)的設(shè)定，以防止駕駛員隨意改動(dòng)。完成初始化后，開始加熱酒精傳感器，準(zhǔn)備完畢后綠燈被點(diǎn)亮，系統(tǒng)進(jìn)入測試階段，此時(shí)酒精傳感器開始采集濃度信息，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后保留其峰值，隨后與設(shè)定的報(bào)警界限相比對，甄別其是否超標(biāo)，并將結(jié)果傳送到LCD屏幕上進(jìn)行顯示，如果結(jié)果為超標(biāo)，則開啟語音播報(bào)告知駕駛員超標(biāo)，不能繼續(xù)駕駛，系統(tǒng)開啟控制器，切斷汽車點(diǎn)火裝置的電源，確保汽車不能行動(dòng)，反之則繼電器不工作，通過語音提示告知駕駛員可以正常駕駛[9-10]。

4 結(jié)束語

防酒駕車載酒精檢測系統(tǒng)能夠有效降低酒駕事故，本文詳細(xì)的介紹了對其硬件部分和軟件部分的器件選擇和設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有自動(dòng)化、智能化和低功耗的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。

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作者簡介：牛春亮（1983-），男，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械及智能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。