基于單片機的車載酒精檢測系統

毛夏煜 王雨凡 牛遷遷 劉瑤 馮興樂

摘要：酒駕是威脅交通安全的重要因素之一，對其進行有效預防和智能控制具有重要意義。為實現汽車發動前判斷司機是否酒駕與遠程無線報警的功能，設計出一款基于單片機的車載酒精監測系統。該系統應用MSP430F149單片機，結合MQ-3傳感器實時監測駕駛區酒精濃度，通過LoRa發送監測數據至遠程監控端，若判斷出酒精濃度超出預定最大值便進行報警并使能控制汽車使其無法啟動，再及時通過LoRa告知用戶，以此預防酒駕事故的發生。經過反復測試，該系統反饋數據快速準確、無線通信穩定有效。

關鍵詞：物聯網技術;單片機;LoRa;酒精監測

中圖分類號：TP274+ ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）24-0224-02

據中國交通網公布的數據顯示：2019年上半年全國共查處酒駕醉駕90.1萬起，造成1674人死亡，因酒駕醉駕導致的交通事故同比增加28.2%。酒精在人體血液內達到一定濃度時，人對外界的反應速度會下降，駕車發生事故的可能性大大提高。傳統的酒駕監測系統僅針對當前場景進行數據監測，不能進行制動和無線通信，其實用性很低。鑒此，該系統不僅可以實時監測駕駛員是否出現的醉酒駕駛情況，發出提示警報及時斷電使汽車制動，還能將相關信息傳送出去，較之傳統酒駕檢測方式，成本低且操作性強，可從源頭上阻止由酒駕帶來的危害[1]。

1系統整體設計

為實現酒精監測的功能，需通過酒精傳感器將酒精濃度轉變成可處理的模擬電壓信號。由于該系統所應有的單片機無法直接處理模擬電壓量，故通過模數轉換器（Analog Digital Converter，ADC）將包含酒精濃度信息的模擬電壓量轉換成數字量交至單片機處理，根據所獲取的酒精濃度大小來控制蜂鳴器是否報警、汽車是否制動;為實現遠程監控的功能，需要將所獲取的酒精濃度通過無線傳輸的方式發送給遠程監控端，監控端收到信號后對車輛駕駛區酒精濃度情況進行實時顯示，并進一步發送至上位機應用平臺，方便監管部門對車輛駕駛情況進行監測[2]。

本系統應用MSP430F149單片機作為主控核心，MSP430F149單片機的芯片具有一個強大的16位RISC CPU、16位寄存器和常數發生器，其數據處理速度快，大大提高了代碼的運行效率。本系統中主要使用到了它的定時器A、12位模數轉換模塊ADC12、USART通信串口和時鐘系統等功能模塊。由于MSP430F149的時鐘系統包含了內外兩個時鐘，這使得時鐘使用方式十分靈活多樣，可滿足系統設計要求的酒精濃度信號處理、定時、通信等功能。此外它擁有FLASH閃存，方便在線進行調試和下載。綜合考慮MSP430F149單片機的架構、功耗模式和時鐘系統都使其最適合用于在便攜式測量設備中延長電池使用壽命，對環境和人體的輻射小，適合汽車內部環境。發送端單片機通過控制內部的轉換模塊ADC把酒精傳感器測量得到的模擬電壓信號轉換為數字信號并進行處理，通過控制其I/O口輸出高低電平來控制汽車制動系統處的繼電器開關，從而實現使能制動;通過控制LoRa模塊來向接收端發送數據傳遞酒精濃度信息[3]。接收端作為接收器的LoRa模塊接收到酒精濃度數據時，接收端單片機從低功耗模式中被喚醒，對接收到的數據進行處理，控制液晶顯示模塊顯示酒精濃度，并發送給上位機（如圖1所示）。

2 系統軟件設計

2.1 濃度分級

該系統將酒精濃度劃分為8個檔位，在應用場景中，每1s采集一次酒精濃度并判斷其對應檔位，接收端單片機通過檔位對應控制汽車啟動電路和接收端報警電路實現制動與報警的功能，同時向接收端發送此時的酒精濃度信息。接收端接收到來自發送端的數據，根據數據的不同對應不同液晶顯示情況，即8種檔位對應不同提醒顯示，LCD會顯示酒精濃度等級從高到低分別為：“degree：0”到“degree：7”，且單片機P2口連接的8位LED燈從無酒精時全滅到每個等級依次增亮一位直到8位LED燈全亮。

2.2無線通信

系統信息傳輸主要由LoRa模塊完成，采用發送端與接收端之間點對點透明傳輸。點對點透明傳輸，即發送端與接收端的設備具有相同地址、相同通信信道和相同無線速率條件下進行通信。發送端發出什么，接收端就接收到什么。由于LoRa是一種半雙工模塊，故在接收端和發送端各使用一個LoRa，因為它們的默認出廠設置中設備地址、通信信道、無線速率是相同的，即滿足點對點透明傳輸的條件因此該系統不對兩個LoRa模塊進行額外配置即可實現無線通信。通信示意圖如圖3。

該系統中單片機P3.4和P3.5引腳可以進行串口通信，發送端和接收端單片機與LoRa模塊的連接電路相同。發送端單片機將采集到的酒精濃度檔位信息放入串口發送緩沖器中，該緩沖器把數據通過引腳P3.4經LoRa模塊RXD引腳傳遞給LoRa射頻模塊，再通過無線通信將數據送出。接收端LoRa模塊在同一信道中收到發送端數據后，通過LoRa模塊的TXD引腳經P3.5口發送給接收端單片機，供接收端單片機處理[4]。

3系統硬件設計

發送端：MQ-3酒精傳感器生成酒精濃度模擬電壓量，經ADC模數轉換后得到數字電壓量，根據數值對蜂鳴器和繼電器采取相應的開關控制，同時通過串口將該數值傳送至LoRa模塊，通過無線傳輸，將數值發送至接收端的LoRa模塊，達到數據傳遞的效果。

接收端：通過LoRa模塊接收發送端傳輸的數據，并將數據傳輸至單片機對接收的數據進行處理后將其呈現在液晶屏上，同時將數據通過串口發送至PC端進行下一步處理[5]。

3.1 發送端

發送端由電源電路和LoRa模塊及傳感器組成，較為簡單，前兩個模塊上面已經提到。傳感器和LoRa通過串口線連接，USB作為供電模塊，給傳感器和LoRa進行5V供電。

3.2 接收端

第一部分是屬于單片機結構和單片機基本工作電路部分，包括F149芯片、晶振、電源電路和電平轉換模塊。

第二部分是程序下載部分，本系統采用JTAG接口。

第三部分是通信模塊，包括LoRa無線模塊和TTL轉USB通信模塊。

第四部分是液晶顯示模塊，采用1602液晶顯示模塊。

4汽車制動

本系統使用繼電器控制點火線路的方法，實現汽車制動的功能。當系統運行時，傳感器將實時監測并更新儀器內部的酒精濃度數值，在上傳至上位機的同時交由單片機進行判斷，并做出相應的分級。該分級可在程序設計過程中自定義設計，這里以默認的三段濃度（安全，酒駕，醉駕）進行說明，制動機制在安全和酒駕兩檔濃度中并不會生效，僅在觸發醉駕濃度后開始生效。微處理器判斷需啟動制動機制時，通過I/O控制繼電器導通方向由常開端切換至常閉端。此時，連接于常開端和公共端的點火線路將會被切斷，使發動機熄火，從而達到制動的效果[6]。

當酒精濃度下降至閾值以下（該閾值通常明顯低于制動機制啟動閾值）則重新導通點火線路，恢復正常點火功能。

若出現意外，也可直接切斷儀器電源強制導通，強制關閉時會被上位機監測到異常，避免了司機個人目的強制啟動的情況。

5 結論

目前，市場上酒精監測系統種類繁多，但它們大多是是由交警部門人工對駕駛員現場進行酒精檢測，耗時耗力且無法阻止酒駕的發生。該系統安裝在汽車駕駛區，當駕駛人員進入駕駛區后，立即自啟動，對駕駛員呼出的氣體進行酒精濃度檢測。系統根據檢測到的酒精含量是否超標控制汽車繼電器發動裝置，如果濃度超標則駕駛人員無法啟動汽車，車內發出報警聲提示駕駛員及周圍人員，同時酒精超標信息通過系統傳輸到相關部門。該系統成本低、智能化程度高、工作穩定可靠，具有很高的實際價值，從汽車啟動時就及時阻斷了酒駕發生的可能，極大地避免了安全事故的發生。同時機動車駕駛區信息的實時采集與酒精遠程監控有利于交通部門監管，一旦出現問題可立刻采取措施。

參考文獻：

[1] 欒穎娜.論我國“酒駕”問題的治理對策[J].太原師范學院學報（社會科學版），2010，9（1）：33-35.

[2] 李素芬，李剛，孫景發.模數轉換技術及其發展[J].電子技術應用，2002，28（4）：72-75.

[3] 楊平，王威.MSP430系列超低功耗單片機及應用[J].國外電子測量技術，2008，27（12）：48-50.

[4] 羅貴英.基于LoRa的水表抄表系統設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2016.

[5] 李時杰，何怡剛，羅旗舞，等.基于LoRa的電氣設備溫濕度監測終端設計[J].傳感器與微系統，2018，37（4）：89-91.

[6] 羅吉才.單片機控制的繼電器自動化調試系統[J].硅谷，2008，1（17）：91.

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