1、精選優質文檔-傾情為你奉上基于單片機的防酒駕系統Anti-Alcohol Drunk Drive System Based on SCM學生姓名：所在學院：所在專業：指導教師：職 稱：所在單位：論文提交日期：論文答辯日期：學位授予單位：專心-專注-專業目 錄摘 要機動車的保有量屢創新高，是我們的道路安全問題面臨嚴峻的考驗，而很大一部分的道路安全事故都與酒后駕車有關。一方面交通管理部門加大道路酒駕巡查力度和處罰力度，另一方面通過媒體宣傳，案例舉例等方式讓人們意識到酒后駕車的危害，使駕駛員從“不敢”酒后駕車逐漸向“不想”酒后駕車轉變。但單純的交通管理部門巡查和宣傳，都不能從根本上杜絕酒駕事故的發生

2、。因此從技術角度杜絕酒駕的發生彌補了單純管理和宣傳的缺陷。本論文采用AT89S52作為系統的中央處理單元，用于接收氣體傳感器的輸入信號，以及控制繼電器動作。選擇MQ-3型氣體傳感器作為檢測呼出氣體中酒精含量的傳感器，檢測結果輸入到單片機內。繼電器的兩個輸出控制端一路連接酒駕報警燈，另一路連接發動機的打火裝置。當呼出氣體正常時繼電器連接發動機打火裝置，汽車可以啟動；當呼出氣體酒精含量超標時繼電器則連接酒駕報警燈，車輛無法啟動。論文進行了電路原理圖設計及軟件程序設計，最后通過Proteus軟件的ISIS模塊進行了電路仿真，驗證了本設計合理，功能完備。關鍵詞：防酒駕；氣體傳感器；電路設計；Prote

3、us仿真AbstractMotor vehicle ownership reached record high, is our road safety is facing a severe test, and a large part of the road safety accidents are involving a drunk driver. On the one hand, the traffic administrative department of the road drunk driving inspection efforts and punishment. On

4、 the other hand publicity through the media, case examples, etc. let people consciousness to the drunk driving hazards, so that the driver from not drunk driving gradually to not want to drunk driving change. But the traffic management department inspection and propaganda, c

5、annot fundamentally eliminate drunk driving accidents. Therefore, from the point of view of technology to eliminate drunk driving occurred to make up for the defects of simple management and publicity.This paper uses AT89S52 as the central proce

6、ssing unit, for receiving the input signal of the gas sensor, and control relay. Select the MQ-3 type gas sensor is used to detect alcohol content in exhaled air, the detection results of input to the microcontroller. Two output control relay end of a road connecting drunk driving warning

7、lamp ignition device, another way to connect the engine. When normal exhaled gas relay is connected to the engine ignition system, the car can start; when the breath alcohol content exceeding the relay is connected with the wine warning lamp driving, the vehicle can not be started. The cir

8、cuit principle diagram design and software design. Finally, through the Proteus Isis module were circuit simulation, verify the design is reasonable and the function is complete.Keywords: anti-drunk driving; gas sensor; circuit design; Proteus simulation第1章 緒論1.1 論文研究背景我國經濟迅猛發展的情況有目共睹，對人民生活水平的提高起到了巨

9、大推動力的作用。汽車對于家庭來說已經不是可望而不可及之物，相反，駕車出行正在成為越來越多的人出行的首要選擇。國家的機動車管理部門就統計數據得出結論，截止到去年年底，中國境內的機動車保有量超過兩億六千萬輛，其中汽車就達到了一億五千萬多輛1。僅2014年一年，新注冊的汽車就達兩千多萬輛，保有量凈增長一千七百多萬輛。這兩個數字都是以往歷史上從未有過的。目前我國家庭平均每一百戶居民家庭，就會有25輛機動車，北京的每一百戶居民家庭這一數字達到了63輛，廣州、成都等特大型城市每一百戶居民家庭則擁有超過40輛機動車2-3。就我們學校的所在地，哈爾濱來說，每一百戶居民家庭擁有汽車的數量，三年來增長了近一倍，達

10、到每一百戶居民家庭17.2輛的水平，每天就會有四百輛機動車等待登記落牌并上路行駛，帶來的道路擁堵問題大家都有共識和體會，我們校門口的早晚高峰堵車領大家印象深刻。中國公安部負責交通管理的交管局負責人表示，經濟向好，我國人們的購車欲望還在不斷上升，尤其在一線二線這樣的較發達地區，人們的購車剛性需求旺盛，例如北京、深圳等，政府不得已采取了機動車搖號上牌的政策，更凸顯了機動車增長的旺盛勢頭4。由此可以想象，隨著我國機動車保有量的增加，人們駕車出席各種活動的場合也會與日俱增。席間推杯換盞，導致酒駕醉駕的交通事故也正在呈上升態勢。盡在2013年一年間，全國交通管理部門上道臨檢查重酒駕事件就達一百五十多萬起

11、，由于道路交通事故致人死亡的人數近六萬人5 。去年哈爾濱市的交通管理部門組織了包括交警、巡警以及省電視臺媒體記者等多方參與，通過不定期上路現場臨檢等方式，對我市存在的道路交通違法的情況進行查重。期間，共查處酒后駕駛車輛的駕駛員1794人，而其中竟然有459人屬于醉酒駕駛。對于酒后駕車的駕駛員，交通管理部門對其處以行政處罰；而醉酒駕駛的人員則被拘留并相應追究了其刑事責任。另外有67人，年齡跨度從二十歲到六十歲，駕齡最長三十年的機動車駕駛員被罰終生禁止駕駛機動車。原因是他們由于飲酒而引發了重大的交通事故，或者造成重大交通事故后逃逸。世界衛生組也預測，十五年后左右，由于道路交通安全事故導致人們生命財

12、產損失的事故呈升高態勢，將成為全球“第三位疾病” 6-8，而駕駛員原因是交通安全事故產生的主要因素。美國做過相關的統計，在03年美國全境發生的道路安全事故中，有四成死亡事故都與駕駛員飲酒有關。酒后駕車已成為車禍致死的重要原因。之所以酒精會對道路安全造成如此嚴重的影響，主要是因為以下幾個原因9-11：（1）車輛的駕駛員一旦飲酒后，當身體的酒精攝入量達到一定量后，將會影響駕駛員的中樞神經，使之逐漸麻痹，功能性失調。我們經常看到喝醉的人走路搖晃，原因就是中樞神經的麻痹，導致行動遲緩，動作不協調，并且對外界的刺激也不敏感，增加了駕駛員的反應時間。（2）酒精對于駕駛員的意識和視力也有影響。酒精的刺激使得

13、駕駛員意識逐漸模糊，而且注意力也下降，視線變得越來越模糊，對道路情況判斷不準確。（3）一般人喝酒后，會對危險意識不足，高估自己的能力和對環境判斷不足，再加上各種感觀如視線聽力、反應等都會大幅下降，因此此時駕車危險極大。由以上分析我們可以看到，駕駛員飲酒后駕車甚至醉酒后駕車，都是極其危險的，對自己以及其他人的人身財產安全都構成了極大的威脅。近些年來，媒體以及有關部門持續關注酒后駕駛事件，嚴查酒后駕駛行為，采取不定期的進行上路臨時檢查，并且加大宣傳力度，提高駕駛員安全駕駛的意識，多方面杜絕酒后駕車的產生。但由于警力有限，不能夠常態化全面的對全市管轄區域進行檢查，并且臨時檢查也會對交通造成暫時性擁堵

14、，對大家出行造成影響，因此單從執法部門監管難以從根本解決問題。現在國家法律對于醉駕入刑有了明確和嚴格的要求，對酒駕行為是一種威懾，使得駕駛員從心理上拒絕酒后駕車，這在一定程度上控制了酒駕事故增長。但少數人依然知法犯法，抱著僥幸心理鋌而走險，對公共安全造成了極大的威脅。因此，單從制度監管和法律宣傳不能完全杜絕酒駕事故的發生。因此必須利用高科技手段從根本上讓飲酒的駕駛員不能開動車輛的方法來杜絕酒駕事故的發生。1.2 國內外研究現狀1.2.1 國內酒精檢測現狀公安部交管局等多部門對酒駕行為的大力查處，上路對行駛車輛的駕駛員進行酒精檢測。而目前我國過內的針對酒精的檢測方法主要有：（1）呼氣式酒精檢測儀

15、法12這種是我們在道路上遇到交警路查的時候最常見的一種檢測方式，駕駛員對酒精檢測儀呼氣，屏幕上會顯示相應酒精含量，如果超過額定值會發出報警，從而提示酒精含量超標。這種檢測儀內部有一個氣體傳感器，分為半導體和燃料電池兩種形式。半導體形式的氣體傳感器采用氧化錫半導體材料，在工作溫度區間內，對酒精的敏感度很高，而且其電阻率隨著酒精含量的不同而成反比變化。當酒精含量越高時，電阻率越低；酒精含量越低，電阻率越高。酒精檢測儀反映出來被測者呼氣中酒精含量由傳感器電阻率決定，檢測儀將電阻率的模擬信號轉換成數字信號。而燃料電池形式的氣體傳感器所使用的氣敏元件是燃料電池。這種傳感器內部有一個氣化室，當燃料電池在特

16、定催化劑的作用下，在氣化室內與酒精進行充分燃燒，形成電能，因此酒精與其產生電能的大小成正比關系，當酒精含量越高時，燃料電池產生的電能越大；當酒精含量越低時，燃料電池產生的電能越小。被測者的呼氣中酒精的含量由燃料電池產生的電能大小所決定，傳感器將模擬信號轉化為數字信號，從而反映呼氣中酒精的含量。（2）頂空氣相色譜法通常情況下，呼氣式酒精檢測儀只是快速檢測被測者，即機動車駕駛員是否飲酒或者醉酒。當檢測超標時，通常會進行血液檢測，以作為行政處罰或者刑事處罰的證據使用。頂空氣相色譜法即是這種可以具有法庭證據效力的酒精檢測方法。它是以叔丁醇作為酒精檢測的內標物，可以很精確的測量檢測待測血液或者采樣的組織

17、器官中，酒精含量的多少。這種傳感器的工作原理是將含有酒精成分的液體（如血液）放在一個特制的瓶子中，加入一定量的叔丁醇作為內標物。在一定溫度下，液體中的酒精與加入的叔丁醇揮發而產生氣體在瓶子的頂空部分，當氣體和液體達到平衡狀態時，此時氣體中揮發出來的酒精和叔丁醇的含量，與待測樣本中的酒精和叔丁醇成正比。抽取這樣的氣體樣本，利用氣相色譜分析方法，檢測該樣本中的酒精含量。（3）乙醇脫氫酶法該方法同樣是去一定量的血液樣本， 在高氯酸作用下利用離心機將蛋白質沉淀。將兩種酶稀釋后將產生的乙醇氧化成乙醛。在用分光光度計調在340nm出測量器紫外線的吸收值，從而根據這個吸收值計算出抽樣血液樣本中的酒精含量。該

18、方法在現實中應用較少，主要是因為首先要通過實驗的方法得到相對應的標準曲線，而這個標準曲線直接影響酶的氧化效果，因此實驗結果不好掌握。綜上所述，呼氣式酒精檢測儀由于其應用簡單快速，目前應用很廣發，多見于交通管理部門日常道路檢查執法使用。而利用頂空氣相色譜儀檢測血液內酒精含量的方法，一般是在當事人對于呼氣式酒精檢測儀的測量結果有爭議，或者發生了交通事故，需要取證的時候使用。這兩種檢測的方法都具有一定法律效力，但收到檢測的時間成本、費用成本、現成環境的衛生情況及儀器使用方便等因素影響，導致使用的場合和普及程度會有區別。此外還有一種唾液檢測的方法，可以方便快捷的對道路車輛駕駛員進行酒精檢測。它不同于酒

19、精檢測方法，使用試紙對駕駛員唾液進行檢測時無痛苦，方便攜帶，成本低操作簡單。但由于其可靠性能否作為處罰證據使用尚無論證，因此并未推廣到我國的交通管理部門大范圍使用。另有一種尚在研發中的檢測方式，指紋式酒精檢測技術。它是通過檢測手指分泌的汗液內是否酒精超標，來判斷是否存在酒駕情況。在檢測的同時可以識別被檢測者的指紋特征、脈搏等生理信息，可以起到防代替檢測的情況。1.2.2 國外酒精檢測現狀由于現實防酒駕措施的需要，某些汽車廠商也率先推出了自己的防酒駕方法和系統。13-15在2007年薩博就在其新款發布的系列車型上，使用了Alcokey酒精鑰匙技術。這種技術是在這一系列的車型的啟動鑰匙上，嵌入一種

20、小型的酒精檢測裝置，它的體積很小，并不讓駕駛員感到不便。當駕駛員想要啟動汽車，需要先向該車輛的啟動鑰匙上的吹氣口呼氣，鑰匙內嵌入的酒精檢測裝置會自動檢測分析呼氣，如果其中酒精含量不超標，則要是亮起綠色指示燈，即可啟動發動機電腦；如果檢測酒精含量超標，啟動鑰匙會自動鎖定發動機電腦，使汽車無法發動。沃爾沃作為汽車安全的典范，也很早就推出了自己的防酒駕技術。Alcoguard技術比Alcokey技術更為先進，它可以識別氣體是否由人體排出，并且該車設有三個顏色的指示燈，將酒精含量分為三個等級，紅色燈表示禁止啟動；黃色燈表示不建議駕駛；綠色燈表示可以安全駕駛。并且沃爾沃某些車型上海研發有酒精探測安全帶，

21、也是基于這種酒精檢測技術開發的。日產汽車也自主研發了酒精檢測系統。不同于前兩個品牌汽車的檢測手段。日產汽車并沒有在汽車啟動鑰匙上做文章，而是將酒精檢測系統直接與電腦相連，將酒精檢測傳感器放置于司機的作為上方和擋桿上。當傳感器檢測到駕駛員有酒駕行為時，汽車會自動鎖定車輛變速箱，使車輛無法啟動行駛，與此同時導航會發出鳴響報警。某些車型還在車輛儀表盤位置攝像頭裝置，綜合感應車輛的行駛狀態和姿態，并結合駕駛員的閉眼時間長度，來判斷駕駛員是否打盹或者飲酒，是否適合繼續駕駛車輛。1.3 本文研究內容本文綜合國內外研究的成果，結合我國實際應用，采用呼氣式酒精檢測方法檢測駕駛員是否飲酒，并基于單片機控制繼電器

22、動作，切斷/接通機動車發動機電腦的防酒駕系統。本論文首先對研究背景進行介紹，然后分析目前國內外防酒駕技術的發展狀況。結合現有研發思路和科技水平，設計一款簡單易操作，并且具有良好移植性的基于單片機的防酒駕系統。確定基于單片機的防酒駕系統的功能流程后，針對系統功能設計硬件電路。利用Keil軟件編寫程序并且進行調試，最后使用Proteus軟件對電路和程序進行仿真。第2章 硬件系統設計2.1 系統功能設計本系統的設計初衷是避免駕駛員酒駕的發生。因此，當駕駛員上車后，將機動車供電系統打開，汽車電腦控制系統及各部件傳感器開始上電自檢，與此同時本系統也同時上電，并通過氣體傳感器監測是否酒精含量超標。如果未超

23、標，繼電器處于常閉狀態，不動作，機動車可以正常打火并啟動；如果酒精含量超標，繼電器斷開機動車打火裝置，汽車無法啟動行駛，紅色告警燈敞亮報警。圖2.1 防酒駕系統工作流程圖2.2 硬件系統概述根據防酒駕系統的功能及工作流程，應用環境為機動車，考慮到移植性，可靠性，穩定性及成本因素等，選擇單片機作為系統的控制芯片。因此根據系統功能設計要求，硬件系統主要包括以下三個部分：用于酒精檢測的氣體傳感器模塊、單片機控制系統及控制機動車打火裝置的繼電器。圖2.2 基于單片機的防酒駕系統硬件原理框圖2.3 氣體傳感器酒精檢測裝置按照本論文1.2.1節分析，分為三種類型的酒精檢測方法。這里我們使用目前應用比較廣泛

24、的呼氣式酒精檢測方法。這種方法也是交通管理部門上路臨時檢測酒駕情況時最常使用的方法，具有檢測迅速，成本低，體積小等特點。它的使用方法是駕駛員打開汽車的供電系統后，對車內設置的酒精檢測裝置呼氣，酒精含量未超標的情況下，汽車發動機電腦允許駕駛員發動汽車；否則發動機電腦鎖定發動機，使駕駛員無法啟動發動機。一般得酒精含量檢測標準，都是以血液中酒精含量作為判斷標準和依據，因此呼氣式酒精檢測方法涉及到呼氣中酒精含量與血液中酒精含量的數量轉換關系分析。目前世界上大部分國家都制定了針對酒后駕駛和醉酒駕駛的完備法律，根據國家發達水平以及人們的生活水平不同，其血液內酒精含量的標準值也不同。一般發達國家會規定比較高

25、，一般為百分之六十至七十；發展中國家由于其收入屬于中等水平，其血液內酒精含量的臨界值更接近于百分之五十；而低收入的不發達國家通常規定較低，一般為百分之二十左右。根據我國的國家公共安全行業標準，呼氣式酒精檢測設備的呼氣氣體內酒精濃度與血液內酒精濃度存在以下關系式： (2.1)其中表示血液內酒精濃度，指呼氣內酒精濃度，mg/L表示以每升中毫克量的計量單位,即血液酒精濃度在數值上相當于呼氣酒精濃度乘以固定系數220.264。當駕駛員呼出的氣體內，酒精的含量大于等于20mg/100mL、小于80mg/100mL的，其駕駛行為構成飲酒駕車；當駕駛員呼出的氣體內，酒精的含量大于等于80mg/100mL的駕

26、駛行為即為醉酒駕駛。序號呼出氣體中酒精濃度血液中酒精濃度單位10.0227520.04541030.068115210.6618150220.9091200表2.1 呼出氣體內酒精濃度與血液內酒精濃度數值對照表MQ-3是一款酒精濃度檢測傳感器。它可以檢測人呼出的氣體中酒精的濃度。這種酒精濃度檢測傳感器具有功耗小、穩定性好、檢測響應快、成本低等特點。MQ-3是一款電阻型半導體氧化物材質的旁熱式傳感器。它的氣體敏感元件由加熱器、陶瓷管以及幾部分構成，它們被固定在具有檢測電極的傳感器內部。是一種N型的半導體材料，它在空氣中被氧化后，自由移動的電子減少，因此處于高阻態。當此時有乙醇氣體進入時，會與吸附

27、氧發生反應，起到還原作用，使自由移動的電子增多，半導體的電阻率下降。氣體敏感元件的電阻率與人呼出氣體中酒精含量的關系式： (2.2)式中m和n都是常數，他們由傳感器的材料，呼出氣體的屬性以及檢測環境的溫度等因素決定。C的單位為。即為敏感元件的電阻率，它在純凈的空氣中電阻率很大；而當空氣中含有乙醇時，乙醇濃度越高，的電阻值越低。因此通過氣體敏感元件，將酒精含量與電阻值形成了對應轉換關系。圖2.3 酒精檢測用半導體氣敏傳感器MQ-3實物圖由于氣體敏感元件所產生的電阻變化，經過電路體現到電壓變化時幅度很小。因此進行電路設計時，需要對氣體傳感器的輸出電壓進行查分比例放大。然后將差分比例放大的電路輸出利

28、用可調電阻器進行電路調零。調零后的結果經過一級云芳跟隨電路，這樣可以增加電路的穩定性。具體設計原理圖如下：圖2.4 氣敏傳感器模塊電路原理圖2.4 單片機控制系統單片機種類繁多，其中AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash。它是AT89C51的升級版本，不僅增加了功能，還具有在線可編程功能，更方便了程序調試。單片機控制系統包括單片機、電源電路、復位電路及晶振電路幾部分組成，它們構成了單片機的最小系統。圖2.5 單片機最小系統2.5 繼電器模塊繼電器模塊主要由繼電器及其驅動電路組成。其作用是，根據單片機輸出的信號接通汽車發動機打火裝置；或者是切換到

29、酒精檢測超標的告警燈，從而切斷汽車發動機打火裝置。從單片機發出的驅動信號經過一個三極管放大電路后，連接到繼電器的信號輸入引腳。圖2.6 繼電器模塊電路原理圖2.6 電源模塊機動車的蓄電池電壓主要有12V和24V。作為小型家用車，一般蓄電池電壓為12V，因此本設計采用12V電源輸入，經過一個起穩壓作用的三端穩壓集成電路LM7805電路后，為單片機最小系統、傳感器模塊及繼電器模塊的提供電源輸出。旁路濾波電容可以減少由于電壓波動而帶來的對電路信號和供電的影響，從而提高系統的噪聲容限。圖2.7 電源模塊2.7 硬件電路原理圖2.7.1 開發環境介紹在電子電路設計中，應用最廣泛的EDA輔助進行印刷電路板

30、設計的軟件就是由Altium公司設計開發的Altium Designer軟件（前身是Protel軟件）。它是目前行業中公認的操作簡便快捷，最方便，人機交互界面最人性化的輔助設計工具。并且我們在大學階段也學習過該軟件的設計使用。雖然各種版本的印刷電路板輔助設計軟件很多，并且有多個年代版本，但很多印刷電路板的制板場也都默認接受protel 99se版本文件，可見其在行業內的地位舉足輕重。Altium Designer是一款將電子產品設計所需的開發環境整合到一起，形成一個軟件的集成平臺。它可以提供設計任務所需的所有工具，例如原理圖、PCB設計，HDL設計輸入，信號完整性分析，基于FPGA的嵌入式系統

31、設計和開發等等。在本畢業設計中用到了Altium Designer軟件的原理圖設計模塊功能。2.7.2 硬件原理圖設計打開Altium Designer軟件，創建工程文件并在其目錄下新建一個原理圖文件。設置文件屬性參數，例如光柵格等參數。在元器件庫中選擇所需要的元器件，放置在工作區內。根據上幾節內容 ，調整元器件位置擺放，并修改元器件參數，進行連線并自動命名。對電路進行電氣規則檢查。系統的硬件電路原理圖如下：圖2.8 基于單片機的防酒駕系統電路原理圖第3章 軟件程序根據第2.1節的系統功能介紹，本系統上電后自動運行，完成系統的初始化后，主程序運行，系統自動檢測傳感器狀態。當酒精含量檢測超標時自動切斷發動機打火裝置；否則可以正常啟動發動機。其軟件流程如下圖：圖3.1 系統軟件流程圖利用Keil Vision4編寫并且編譯軟件程序。根據原理圖，單片機的P0.0引腳呼氣式酒精檢測裝置的信號輸入端。P0.2引腳為控制繼電器的信號輸出端。因此其主程序如下：#include <reg52.h>sbit relay =P02; /定義繼電器