單片機(jī)酒精含量探測器設(shè)計(jì)
引言
目前幾乎所有國家都采用呼氣酒精測試儀對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場檢測，以確定被測量駕駛員是否飲酒。本文提出了一種酒精探測及安全控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在汽車上，不用交警和其他人員就能判斷司機(jī)是否酒后駕車，以確保了司機(jī)的安全，又減少了交警等人員的工作量。同時(shí)根據(jù)檢測到酒精含量是否超標(biāo)進(jìn)行自主判斷，能夠控制汽車點(diǎn)火器開關(guān)，使飲酒駕駛員無法啟動(dòng)汽車。
1 總體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用駕駛員主動(dòng)呼氣方法，以判斷駕駛員是否是酒后開車，總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。該系統(tǒng)可放置在汽車儀表盤位置，當(dāng)司機(jī)發(fā)動(dòng)汽車時(shí)，報(bào)警裝置將會(huì)響起，提醒駕駛員使用酒精探測及安全控制系統(tǒng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于被鎖狀態(tài)，汽車無法啟動(dòng)。酒精傳感器加熱后，系統(tǒng)指示模塊綠燈亮起，提示駕駛員呼氣。為防止駕駛員逃避檢測，設(shè)置一個(gè)話筒作為呼氣判斷裝置。當(dāng)呼氣確認(rèn)后，單片機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，開始對(duì)酒精傳感器探測的氣體信號(hào)進(jìn)行檢測。由于酒精含量與酒精傳感器檢測后產(chǎn)生的電壓信號(hào)成比例關(guān)系，因而可根據(jù)電壓信號(hào)進(jìn)行酒精含量的判斷。檢測信號(hào)經(jīng)過放大、檢波電路，進(jìn)行信號(hào)放大和濾波之后，通過A/ D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理判斷，假設(shè)酒精含量沒有超標(biāo)，指示燈亮起，控制繼電器不起作用，汽車可以啟動(dòng);反之，超標(biāo)指示燈亮起，報(bào)警裝置同時(shí)響起，說明不能行駛，若司機(jī)強(qiáng)行啟動(dòng)，控制繼電器切斷點(diǎn)火裝置電源，使汽車無法行駛，從而實(shí)現(xiàn)控制酒后駕車的功能。
2 硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)采用發(fā)射部分和接收部分獨(dú)立結(jié)構(gòu)，使得檢測和控制系統(tǒng)分離。
2.1 發(fā)射部分
發(fā)射部分采取電池供電，以89C2051 單片機(jī)作為控制核心，配以QM- J3 氣敏酒精傳感器、呼氣話筒、8 位A/ D 轉(zhuǎn)換器AD0809 以及發(fā)射模塊F04E 組成。主要功能是檢測酒精含量，判斷其是否超標(biāo)，向接收部分發(fā)送信號(hào)。原理框圖如圖2 所示，該部分由以下模塊組成：
2.1.1 酒精含量檢測模塊
該模塊包含酒精傳感器、檢波、放大電路以及A/ D 轉(zhuǎn)換電路。酒精探頭選用QM- J3 氣敏傳感器，該元件是以復(fù)合金屬氧化物為主體材料的N 型半導(dǎo)體。呼氣時(shí)，一旦該元件接觸乙醇蒸汽，其電導(dǎo)率隨氣體濃度增加而迅速升高，使得產(chǎn)生的電壓信號(hào)也隨之增大。將電壓信號(hào)經(jīng)檢波、放大電路以及A/ D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，送到單片機(jī)進(jìn)行閥值判斷，檢測駕駛員呼出氣體中酒精含量是否超標(biāo)。
2.1.2 呼氣判斷模塊
為防止駕駛員不呼氣而導(dǎo)致酒精探傳感器無法正確檢測到駕駛員體內(nèi)真實(shí)的酒精含量而做出錯(cuò)誤判斷，設(shè)置該模塊用以判斷駕駛員是否呼氣。使用話筒呼氣時(shí)，話筒必產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，單片機(jī)判斷駕駛員呼氣，再檢測酒精探頭送來的信號(hào)。
2.1.3 指示模塊
該模塊有紅綠黃三個(gè)指示燈。紅燈是電源指示燈，工作時(shí)亮;綠燈是呼氣提示燈，酒精探頭需要一定時(shí)間加熱，才能達(dá)到理想的靈敏度。
加熱時(shí)間到，綠燈亮，表示可以呼氣;黃燈表示呼氣有效，當(dāng)黃燈不亮，表示呼氣不充分，直到黃燈亮，單片機(jī)才開始檢測酒精探頭送來的信號(hào)。
2.1.4 單片機(jī)
選用51 系列的89C2051 單片機(jī)作為處理器，用來檢測呼氣判斷信號(hào)并判斷氣體中的酒精含量，并生成相應(yīng)的信息碼發(fā)送給發(fā)射設(shè)備。
2.1.5 發(fā)射模塊
采用成熟的F04E 發(fā)射模塊，該模塊可以與單片機(jī)直連，將處理器給出的信息碼調(diào)制后無線發(fā)送給接收部分。
2.2 接收部分
接收部分安裝于汽車上，主要是對(duì)收到的信號(hào)碼進(jìn)行判斷，做出相應(yīng)操作。收到錯(cuò)誤碼，返回繼續(xù)檢測;收到超標(biāo)碼，報(bào)警音提示，點(diǎn)火裝置斷開，汽車大燈亮，喇叭響;收到不超標(biāo)碼，發(fā)出可行駛提示音，點(diǎn)火裝置打開。結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示，可分為如下幾個(gè)模塊：
2.2.1 接收設(shè)備模塊
采用J04H 接收模塊，J04H無信號(hào)時(shí)輸出為零電平狀態(tài)(無噪聲干擾) 可適合于單片機(jī)輸入端接口，J04H 采用條狀鍍金電感及優(yōu)化電路，無需外接天線，接受靈敏度高采用一定的硬度的鍍金電感調(diào)整接受頻點(diǎn)比采用微調(diào)電容調(diào)頻率的接收電路性能穩(wěn)定，J04H 具有較高的接收帶寬，與F04E 配套且基本免調(diào)試，只要電源饋電及引線沒有太大的分布參數(shù)即可處于正常地接受狀態(tài)。接收模塊接收發(fā)射模塊的信號(hào)，調(diào)制后把碼送到單片機(jī)。
2.2.2 單片機(jī)
收到接收設(shè)備送來的碼，根據(jù)不同碼進(jìn)行不同操作。其控制工作指示燈、繼電器、語音報(bào)警模塊。
2.2.3 繼電器控制模塊
受單片機(jī)控制，相當(dāng)于開關(guān)，控制點(diǎn)火裝置開閉、車燈的亮滅和喇叭的響與不響。
2.2.4 報(bào)警語音模塊
利用蜂鳴器作為報(bào)警器，當(dāng)酒精含量超標(biāo)時(shí)，發(fā)出禁止行車警告音;不超標(biāo)時(shí)，發(fā)出允許行車提示音。
通過如上設(shè)計(jì)，系統(tǒng)前端就可以把酒精傳感器檢測到的酒精含量信號(hào)經(jīng)單片機(jī)判斷后產(chǎn)生相應(yīng)的控制碼由發(fā)送模塊無線發(fā)送出去。后端的接收部分可以將發(fā)射部分傳送的控制碼進(jìn)行解碼，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)以控制汽車點(diǎn)火電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)酒后駕車的有效控制。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件部分根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)置，也被劃分為發(fā)射與接收兩個(gè)部分，由于篇幅所限，本文以流程圖的方式給出其主要功能。
發(fā)射部分主程序流程圖如圖4 所示，實(shí)現(xiàn)吹氣識(shí)別，酒精含量是否超標(biāo)判別，生成信息碼及把信息碼發(fā)送給接收部分的功能。其中每臺(tái)設(shè)備都有唯一的40 位二進(jìn)制碼編號(hào)，將編號(hào)由低位開始每五位放入信號(hào)碼的高五位，后三位根據(jù)檢測結(jié)果產(chǎn)生。這樣產(chǎn)生一組八個(gè)八位帶校驗(yàn)位的信息碼。由于每臺(tái)設(shè)備的編號(hào)都不同，因此這臺(tái)的發(fā)射器用在其他任何一臺(tái)接收器上都不能讓汽車發(fā)動(dòng)，從而起到電子鑰匙作用。
如圖5 為接收部分的主程序流圖。其功能為實(shí)現(xiàn)接收信息，其中信息碼的接收是采用一次接收8個(gè)信息碼，接收完畢后判斷8 個(gè)信息碼的校驗(yàn)位是否正確。如果正確，則根據(jù)最后一個(gè)信息碼與超標(biāo)碼比較判斷是否超標(biāo)。否則，返回重新接收。當(dāng)校驗(yàn)位正確且與超標(biāo)碼相同時(shí)，執(zhí)行超標(biāo)操作，即報(bào)警裝置響起且控制繼電器切斷點(diǎn)火裝置電源;反之，與不超標(biāo)碼進(jìn)行比較判斷，若相同，則執(zhí)行不超標(biāo)控制，汽車可以啟動(dòng)，若不相同，則返回重新接收信息。
4 結(jié)語
車載酒精探測及安全控制系統(tǒng)是為預(yù)防交通事故發(fā)生情況而設(shè)計(jì)的。本文通過對(duì)各模塊功能及軟件工作流程的闡述，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。可隨身攜帶，不需任何復(fù)雜操作，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的推廣價(jià)值。
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