基于單片機的車內酒精自檢系統設計

收稿日期：2023-08-22

基金項目：2022年度黃河交通學院一流課程建設項目（HHJTXY-2022ylkc12）；河南省智能制造技術與裝備工程技術研究中心科研項目（3118210370）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.015

摘" 要：對導致交通事故的原因進行了研究，酒駕已成為交通事故高發的主要原因之一。酒精濃度的檢測是評定酒駕的重要環節，為提醒駕駛員避免酒駕，設計了一個基于單片機的車內酒精自檢系統，通過MQ-3酒精傳感器對車內的酒精濃度進行實時監測，將采集的模擬信號經過A/D轉換傳送到STC89C52RC單片機，處理后的數據通過LCD顯示屏進行顯示。若檢測的氣體中酒精濃度超過預定的閾值，系統會發出聲光報警，警報可以引起注意。與此同時，繼電器控制的電路也會使汽車進行制動，使汽車無法啟動。該系統體積小、攜帶方便，并具有一定的預防酒駕的功能，保證交通安全。

關鍵詞：單片機；MQ-3；LCD顯示；聲光報警

中圖分類號：TN709；TP273" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2024）05-0068-05

Design of Alcohol Self-checking System in Car Based on Single-Chip Microcomputer

ZHAO Zhizheng1，2， ZHANG Xin1，2， LI Xueying1，2， LI Gongkai3， XIA Zhengqiang1

（1.School of Mechanical and Electrical Engineering， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo" 454950， China; 2.Henan Intelligent Manufacturing Technology and Equipment Engineering Technology Research Center， Jiaozuo" 454950， China; 3.Jiaozuo Tax Service， State Taxation Administration， Jiaozuo" 454000， China）

Abstract： The cause of traffic accidents has been studied， and drunk driving has become one of the main reasons for the high incidence of traffic accidents. The detection of alcohol concentration is an important part of assessing drunk driving. In order to remind drivers to avoid drunk driving， a alcohol self-checking system in car based on Single-Chip Microcomputer is designed. The alcohol concentration in the car is monitored in real time through the MQ-3 alcohol sensor， and the collected analog signal is converted to STC89C52RC Single-Chip Microcomputer by A/D conversion. The processed data are displayed through the LCD display. If the alcohol concentration in the gas exceeds the threshold， the system will send out a sound and light alarm which can attract attention， and at the same time， the circuit controled by relay will brake the car so that the car cannot be started. The system is small in size， easy to carry， and has a certain function of preventing drunk driving to ensure traffic safety.

Keywords： Single-Chip Microcomputer; MQ-3; LCD display; sound and light alarm

0" 引" 言

隨著當今社會信息化的迅速發展和人們的生活水平不斷提高，私家車的普及率越來越高，私家車的出現也為人們的交通出行帶來了極大方便，但是由此產生了一系列問題。世界衛生組織的交通事故調查顯示，約50%以上的交通事故與酒后駕駛有一定的關系[1-3]。酒后駕駛問題日趨嚴重，因此，研究一種低成本、實用的酒精濃度檢測方法具有重要的意義[4]。文章設計了一種利用STC89C52RC單片機作為主控芯片的車內酒精自檢系統，完成了酒精自檢系統的硬件電路設計、軟件設計，并通過Proteus軟件進行仿真驗證了車內酒精自檢系統的可行性[5]，最后通過實物焊接完成設計，從而為駕駛人員提供一種簡易的酒精測試應用工具[6]。

該系統是一種可自主檢測、造價低廉的車內酒精濃度自動檢測系統[7]。它采用單片機進行控制，通過自動對車輛內的酒精濃度進行監測和顯示，以達到提高汽車行駛安全性的目的。行駛前通過酒精傳感器檢測車內酒精濃度，如果酒精濃度超過閾值則無法啟動車輛并且報警提醒駕駛員[8，9]。當車輛行駛時遇到突發情況，例如在車內不小心有酒撒出來，這時雖然會報警但不會立即制動停車，而是慢慢降速，給車內人員緩沖時間做出有效應對，有效防止因駕駛員酒后駕車引起的交通事故[10-12]。

1" 系統方案

設計的酒精自檢系統應具有以下功能特點：

1）行駛前檢測車內酒精濃度，若超過閾值，系統要及時報警，起到警醒作用。

2）行駛時如果檢測到酒精濃度超過閾值，系統要顯示酒精濃度并立即報警，但不能立即制動。

3）要從實用的角度出發，采用單片機系統對鍵盤及液晶顯示器進行控制，以達到人機交互式操作的目的，界面應設置簡單。

通過酒精傳感器來檢測車內駕駛員呼出的氣體濃度，其后，通過主控芯片的A/D轉換，將處理后的酒精濃度數據利用LCD顯示屏進行顯示。當酒精濃度超過閾值時，會報警及車輛制動，進而實現防酒駕功能。酒精傳感器是把非電量轉換為電量，經過A/D轉換，把數據輸入單片機進行處理。行駛前如果超過閾值會報警及制動；行駛時，如果酒精濃度超過閾值，不會立即制動而是控制車速慢慢下降。另外，還需要連接LCD顯示器、按鍵電路、聲光報警電路等，系統總體方案如圖1所示。

圖1" 系統總體方案

2" 系統硬件電路設計

2.1" 系統總體設計

該系統硬件電路設計的總體分為兩部分，單片機最小系統和外圍電路設計。其中單片機最小系統包括STC89C52RC、復位電路和晶振。外圍電路包括鍵盤電路、LCD顯示電路、聲光報警電路、A/D模數轉換電路、繼電器電路等，如圖2所示。

2.2" 單片機最小系統

單片機選用STC89C52RC，當單片機處于空閑的狀態下，CPU會自動停止工作，而RAM、定時器、串口和中斷可以繼續正常工作。在斷電保護的模式下，會對RAM數據進行存儲，并對振蕩器進行凍結，以確保單片機在下一次斷開或硬件復位設置前全部停止運行。高頻運行以每小時35 MHz的頻率運轉，并且具有良好的實時性，可以滿足多樣化的需求。

復位電路是把電路還原到初始狀態。所謂的復位，就是將一個電路還原成原來的樣子，就像是計算器上的歸零鍵一樣，還原成原來的樣子才能繼續運算。單片機的復位，是將電路恢復到初始的狀態，只要在單片機復位引腳RST上外接相應的電阻和電容，就能實現系統的上電復位。按鍵復位就是把開關并聯在復位電容上，當開關按鈕被按下時，電容會放電，復位引腳會維持高電平的狀態，從而實現復位。

在單片機系統里，時鐘電路是單片機運行的必備條件，也是最小系統作為應用的核心部分，通過對其進行相應的擴展，如存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機能夠完成較復雜的功能。晶振電路屬于時鐘電路的一種，在單片機的控制過程中，晶振是不可缺少的組成部分之一。晶振起到的作用很重要，它是整個單片機系統的一個比較核心的部件。晶振電路為整個系統的穩定工作提供基礎時鐘，一般情況下系統會共用一個晶振，可以保證各個部件同步工作。晶振是可以把電能與機械能相互轉化的晶體，精確度和溫度特性也比較好，在共振的狀態下工作，可以產生一種穩定、準確的單頻率振蕩。并且時鐘頻率越高，運行的速度就會越快。

2.3" 鍵盤電路

鍵盤電路總共設計了3個按鍵，分別對應系統復位按鍵、閾值加鍵和閾值減鍵。由于不同場所進行酒精檢測時，對酒精的濃度要求不一樣，可以通過閾值的加減鍵進行控制。

單片機的鍵盤能分成矩陣鍵盤和直通式鍵盤兩種。矩陣鍵盤是由多個按鍵按照一定的矩陣排列方式組成的，一般采用行列掃描的方式進行控制，其中行和列分別與單片機的輸出端口和輸入端口相連。直通式鍵盤是指每個按鍵都有單獨的引腳與單片機相連的設計。與矩陣鍵盤不同，按鍵直接與輸入端口相連，當某個按鍵被按下時，單片機會立即響應中斷，并執行相應的程序代碼，顯示相關字符信息。根據需要，在設計中選擇了響應速度快的直通式鍵盤。

2.4" LCD顯示電路

采用LCD1602作為顯示電路。它成本低、價格便宜、做工質量較好，在用于檢測的時候性能穩定，可以滿足該系統實際顯示車內酒精濃度值的要求。它有14個引腳，其中R/W引腳為LCD1602數據讀取/寫入信號線，主要作用是顯示車內氣體中的酒精濃度。

LCD顯示電路的原理是：當采集的酒精濃度數據輸入用于檢測的單片機后，單片機進行數據的分析和處理，處理過后驅動LCD液晶顯示酒精的濃度數值按鍵設置閾值，同時LCD液晶接在單片機的P0口上。液晶顯示模塊是LCD1602，它的顯示容量為2行16個字符，可定義8個5×8點陣字符或者4個5×10點陣字符，容量足夠顯示當前設置酒精濃度閾值和當前酒精濃度值。

2.5" 聲光報警電路

LED燈光報警是一種以輕巧、便攜和易于安裝為特點的報警器。采用LED燈光報警是因為它具有亮度高、壽命長、使用方便等優點，同時應用范圍比較廣，可應用于各種場景，本次設計利用LED燈光閃爍頻率和亮度，能夠迅速吸引注意力，警示駕駛員及車內人員。

聲光報警電路主要由放大電路、控制電路、揚聲器和LED組成，將電信號轉化為聲音信號。一般采用直流供電，在通電后產生振動，輸出1.5～2.5 kHz的音頻信號，蜂鳴器的放大電路包括信號放大和濾波兩個部分，它的特點是體積小、功耗小、可以重復工作。

2.6" A/D模數轉換電路

MQ-3主要負責采集酒精濃度數據，數據采集之后上傳到電路當中。酒精濃度傳感器采用的是MQ-3氣敏傳感器，此傳感器采用電導率比較低的氧化錫這一物質半導體作為傳感器。當車內的氣體濃度增加時，電阻值會降低。檢測范圍為0.001%～0.2%，輸出酒精濃度模擬信號。它靈敏度高，體積小，價格低廉，而且可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾。

該設計的測量對象是酒精濃度，因此需要酒精傳感器將酒精檢測到的濃度值轉換成連續變化的模擬電信號，而這些模擬電信號還需轉換成能夠讓單片機處理的數字量。相對于積分型ADC來說，逐次逼近型ADC采樣速率較高，功耗相對較低。選用的是逐次比較型A/D轉換器，型號是ADC0809，這是目前普遍使用的A/D轉換器件ADC0809約需100 μs完成一個轉換，可以通過外接電路對0～5 V的模擬信號進行轉換。

2.7" 繼電器電路

本系統的控制電路是繼電器電路，此電路可以很好地檢測駕駛員的酒后駕車行為。繼電電路用于制止駕駛員酒后開車的行為，不僅僅對駕駛員有警示作用，還對酒后開車行為的檢測具有很大幫助。當檢測儀獲取的酒精濃度值超過預定的閾值時，繼電器電路會發揮作用，自動切斷汽車的電源，從而達到預防駕駛人員飲酒開車的目的。若汽車在行駛的過程中，檢測到汽車中的酒精濃度超過閾值，則通過PWM控制汽車慢慢降速，直到汽車的速度為0。

在行駛過程中，如果遇到突發狀況，例如在行駛過程中車內有酒灑出來，車內酒精濃度上升超過閾值，這時，為了安全車子絕對不能直接制動停車，只能將車速慢慢停下。本次的設計采用PWM調速，PWM就是脈沖寬度調制技術，是利用數字信號來控制模擬電路的一種技術。

PWM有兩個重要的參數，頻率還有占空比。頻率是周期的倒數，而占空比是指高電平在一個周期占到的比例。改變占空比就可以控制輸出電壓，從而控制電機的速度。PWM為高電平，電機加速運轉；PWM為低電平，電機不加速運轉。這樣，就可以通過對占空比的控制，來對電機在一個PWM周期中的提速時間進行控制，通過對PWM脈沖占空比的調節，可以使電機兩端的電壓發生變化，達到調節速度的目的。

3" 系統軟件流程圖

根據此自檢系統的設計需求，主程序設計需要對定時器、A/D轉換、LCD顯示屏進行初始化，觸發A/D轉換電路，將MQ-3傳感器采集的數據信息轉換成酒精濃度值，酒精濃度值經單片機處理，在LCD1602屏上顯示。若車內酒精濃度在行駛前超過設定閾值，則會顯示酒駕或醉駕并發出聲光報警。若汽車在行駛時超過設定閾值，不會立即制動而是控制車速慢慢下降，系統軟件流程圖如圖3所示。

圖3" 系統軟件流程圖

4" 系統調試

4.1" 仿真調試

利用Proteus軟件對車內酒精檢測系統進行仿真，LCD1602、聲光報警電路、繼電器電路分別如圖4（a）（b）（c）所示。開始仿真后，LCD1602顯示屏顯示當前酒精濃度為70 mg/dL，此時沒有超過閾值的酒精濃度，因此，沒有聲光報警和調速。

（a）LCD1602

（b）聲光報警電路

（c）繼電器電路

圖4" 酒精濃度未超過閾值的仿真圖

當仿真的酒精濃度超過100 mg/dL時，就會產生聲光報警以及調速，LCD1602、聲光報警電路、繼電器電路分別如圖5（a）（b）（c）所示。此時測量車內的酒精濃度為539 mg/dL，可以發現，車內的聲光報警系統開始工作，直至速度降為0為止。

（a）LCD1602

（b）聲光報警電路

（c）繼電器電路

圖5" 酒精濃度超過100 mg/dL時的仿真圖

4.2" 實物調試

在LCD1602顯示屏中，第一行實際顯示的是汽車中室內的空氣酒精濃度和PWM的調速，汽車中空氣酒精濃度的檢測標準則在第二行顯示，通過按鍵可以調節初始閾值。

通過MQ-3酒精傳感器檢測車內酒精濃度，當酒精傳感器在檢測酒精濃度后，信息通過A/D轉換，把模擬量轉換成數字量傳給單片機（STC89C52RC）進行處理。通過按鍵來設置閾值，按鍵包括加減鍵、啟動按鍵、復位按鍵。如果開始時酒精濃度超過閾值，系統控制聲光報警并制動，電機無法轉動。當電機轉動時，如果酒精傳感器檢測到酒精濃度超過閾值，這時不會立即制動而是控制電機轉速慢慢下降。

系統在經過調試之后，能夠非常準確地對汽車室內的空氣的酒精濃度進行檢測，同時可以在顯示器上實時顯示數據。如果在現場的實時檢測中，被測人員的酒精濃度沒有超標，則在LCD1602液晶屏上顯示實時酒精濃度；如果汽車中空氣的酒精濃度超標，則汽車無法啟動；如果在行駛的過程中檢測到汽車中空氣的酒精濃度超標，則通過PWM對汽車慢慢降速，實物如圖6所示。

圖6" 實物圖

5" 結" 論

本系統先后完成了酒精質量濃度采集電路、A/D轉換電路、PWM控制電路、液晶顯示電路以及聲光報警等電路的設計，在設計過程中整個裝置較好地達成了設計要求。此自檢系統可以快速、準確且有效地測量汽車中空氣的酒精濃度。當車內的酒精濃度達到預設的報警閾值時，自檢系統發出聲光報警。另外，該系統具有價格較低、實用性能非常強、非常便攜等特點，可以廣泛用于酒駕、醉駕的檢測及酒廠等場所酒精濃度的檢測，對保障人們的出行及人身安全具有重要意義。

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作者簡介：趙志崢（1992.10—），男，漢族，河南焦作人，助教，碩士，研究方向：機器學習、自動控制。