精品车载酒精检测系统毕业论文设计说明书.docx
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精品车载酒精检测系统毕业论文设计说明书
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目次
1绪论
1.1课题研究背景
随着我国经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，买车自然就成为了大多数家庭的生活需要。
据有关人士统计，在最近的十年期间，中国的汽车产量和销量稳居世界前三，是当之无愧的汽车产销大国。
除此之外，我国的酒文化深入人心。
从古至今，酒是亲戚好友聚会的必需品。
在当今社会，尽管每个人都知道喝酒不开车，开车不喝酒，但还是会有人报有侥幸心理，因此酒后驾车时有发生，在我国显得尤其严重。
酒后驾车给自己和别人的家庭带来了不可挽回的伤害。
据统计，每年酒后驾车引起的车祸占所有车祸的40%以上，造成的个人和国家损失达好几十亿。
因此，如何有效的减少酒驾的发生成为社会舆论的焦点之一。
近年来，检测技术取得了较大的进步，依靠传感器检测的手段正慢慢步入人们的生活中。
比如温度传感器、烟雾传感器等等。
各种各样的传感器被应用在不同的场合中来达到检测的目的。
同时，由于单一传感器检测的数据并非可靠，为了进一步保证所得数据的准确性，多传感器的检测系统也是层出不穷，这里就采用了数据融合技术，将多传感器所得的数据进行融合处理，以达到一个较为准确的测量值。
在此背景下，为了避免酒后驾车的发生以及单一传感器带来的不准确性，本文将传感器技术、数据融合技术和GPRS技术结合，设计了一套具有自行检测功能的车载酒精检测系统，实现了酒驾数据的采集、发送等功能。
本系统设计的方案满足了无线数据采集系统所要求的智能化和网络化的要求，并且有成本低、可靠性高、便于进行维护等优点。
1.2国内外车载酒精检测系统的研究现状
1957年，世界上第一台醉酒呼吸分析仪在瑞典首次投入使用，标志着酒后驾驶检测的开始。
接着英国斯托尔大学生理学家霍尔瓦特设计一套名为“个人警察”的监督系统，依据驾驶员审视车辆行驶方向的范围，判断驾驶员的酒驾程度，确定是否报警。
日本采用变档器上的探测声纳生来探测驾驶员手上汗液中的酒精含量，如果超出预设值时，汽车会自动上锁，并且通过车内的语音报警系统提醒司机严禁酒后驾车。
目前我国大多使用高灵敏、高稳定的警用酒精浓度测量仪来测量是否酒驾。
该仪器的酒精侦测元件采用先进的电化学传感器，同时采用先进的大规模集成电路作为数据处理单元。
除此之外，还采用了先进SMT工艺作为装配工艺，具有宽范围温度操作，且能自动吹气流量侦测与控制，侦测出驾驶者是否吹气作弊等特点，同时具有便捷的操作界面，较大的内存容量、且能将数据通过USB接口上传到电脑，但其成本也相对较高，同时需要交警人员去强制检测，有一定的局限性。
同时，我们国家正在积极开发车辆预警方面的相关设备。
其研究内容为:
车辆运行状态、驾驶状态、环境实时监测技术、异常驾驶状态实时识别技术等。
研究目的:
通过研发监测预警装置，形成司机行为的实时监控技术，提供减少交通事故的技术支持，研发出最新设备，采用实车来证明设备的先进性和可行性。
1.3本文创新点
本文的创新点主要有:
1.避免了人为检查的局限性、节省了大量的人力物力。
2.利用融合技术得到多传感器的数据融合，相比相同空间内的单一的传感器，数据更加可靠精确。
3.将酒驾车辆的相关信息通过GPRS技术发送到交警部门控制中心的服务器上或相关负责人的手机上。
1.4论文的结构安排
第一章是论文的绪论部分。
介绍了课题的研究背景、国内外研究现状，安排了论文的结构，最后介绍了课题研究的意义。
第二章是相关技术的简介。
利用融合技术得到酒精传感器的融合数据，利用GPRS技术实现数据的发送。
第三章是系统的单元硬件设计部分。
简单介绍了车载酒精检测系统的总体设计方案。
通过查找资料，选择出系统中的最佳器件型号，着重设计了酒精数据采集单元的硬件选型和电路设计；并对中心控制单元和数据收集显示单元进行了简单的电路设计。
第四章是系统的软件设计部分。
介绍了MDK等编译环境，同时为节约开发周期，本系统选择模块化的设计思想。
系统分别对酒精数据采集单元、数据收集显示单元和中心控制单元进行了设计，并给出了实现系统功能的具体流程图。
第五章是系统的调试与测试部分。
主要是对信息采集单元能否按照预期目标工作进行测试，包括对数据融合算法的准确性、显示界面、参数设置以及GPRS模块SIM900A通讯功能等进行测试，通过测试结果分析，所选传感器、GPRS模块以及模糊控制算法基本能够满足系统的工作要求。
1.5课题研究的意义
在人均汽车拥有量不断增加的时代，加上我国深入人心的酒文化，酒后驾车时有发生。
因此选择车载酒精检测系统作为研究对象，具有重要的价值和现实意义。
根据本人的调研，了解到车载酒精检测系统具有巨大的开发潜力，但是由于之前所设计系统的局限性，车载酒精系统没有像人们期待的那样迅速发展。
本课题研究的目标是设计实现一个具有自行检测、实时上传、价格低廉的车载酒精检测系统。
采用数据融合技术实现多个酒精传感器的数据融合、利用GPRS技术向外发送酒驾数据、有效防患因驾驶员酒后驾车引起的交通事故。
在研究的过程中，学习了STM32，融合技术、酒精传感器以及GPRS模块的相关知识以及使用方法，同时加强了在实践中发现问题、解决问题的能力。
2车载酒精检测系统的关键技术
这个系统用到了数据融合技术，对三个酒精传感器测得的数据进行融合处理，得到最终的一个数值与预设值做比较；达到预设的报警值则通过GPRS技术将当前酒驾的浓度值以及车主的身份证发送到交警部门控制中心的服务器上或者相关负责人的手机上。
2.1数据融合技术
2.1.1数据融合的概念
数据融合技术（DataFusionTechnology）是从多个传感器或多源信息进行综合处理，从而得到更准确的、可靠的结论。
其严格的定义是:
利用计算机技术在一定的准则下对按时序获取的若干传感器的观测信息加以自动分析、综合以完成估计任务和需要的决策而进行的信息处理技术。
2.1.2数据融合技术的发展进程
1973年，美国国防部资助开发了声呐信号理解系统，在这个系统中，数据融合技术应用得最早70年代末，基于多传感器采集的信息整合意义的数据融合技术逐步在公开的文献中出现。
随后，传感器技术得到了飞速发展，数据融合技术的理论及应用研究得到了较快进展。
1984年美国三军政府组织成立了数据融合技术专家组（DFS,DataFusionSpecialists）在军事领域，一个单一的传感器己经不再满足战争的需要，必须运用多传感集成来获取多种观测数据，识别目标属性，分析行为意图和态势估计，精确制导，辅助决策等。
在多传感器系统中，信息关系的复杂性、己极大超越了传统信息处理方法的能力范围，因此多传感器信息融合技术（MSDF，Multi-SensorDataFusion）应运而生。
随着通信技术、计算机技术的快速发展，且密切相关，加上军事应用的特殊迫切需要，数据融合技术得到了飞速的发展。
并且依靠其高速、低成本及高可靠性等优点，在不少领域中都展现了其及其广阔的应用前景。
在中国，数据融合技术被列入“八五计划”中的关键技术，并批准一些重点研究项目，尽量给予更多的财政支持。
尽管我们起步较晚，但可以借鉴国外的经验和己有成果，力争在模糊控制、融合算法等基础理论上有所突破。
在军事应用领域中，我国己陆续开发了一批自动化指挥系统，但大体上都是针对单一传感器信息进行信息处理，因此对于多种类多平台传感器的数据融合技术的研究己经势在必行。
2.1.3数据融合技术的基本原理
充分利用多源信息资源和传感器信息数据，通过对多源信息或各种传感器及人工观测信息的合理分配与使用，将各种信息数据在时间上和空间的冗余信息与互补，根据某种优化准则或融合算法组合来，产生对观测对象的一致性描述和解释，并推出更为合理的处理方案。
数据融合控制中心对来自多个传感器的处理信息进行融合，或对来自多个传感器信息和人机界面的观测数据进行信息融合，并提取特征信息，在推理机作用下，将特征信息与知识库中的知识匹配，做出综合的决策估计提供给用户。
按照信息抽象的层次来分，数据融合的级别可分为数据层融合、特征层融合和决策层融合。
对于数据层融合，是指直接对传感器的观测信息进行融合处理，再交由特征处理和判断决策。
特征层融合，属于中间级的融合，它首先对来自传感器的原始信息或对来自多个传感器信息和人机界面的观测数据进行特征处理，然后再对特征信息进行综合分析和处理，做出决策判断。
决策层融合是对不同类型的传感器观测同一个目标而获得的信息进行本地基本处理，建立对所观测目标的初步结论，然后再通过关联处理进行决策层的融合判断，从而获得理想决策估计。
2.1.4数据融合的相关技术
数据融合技术是一种从多个信息源的数据进行集成和处理技术，是许多传统学科和新技术的集成与应用，如模式识别、智能控制、决策论、通信、信号处理、最优化技术、估计理论、不确定性理论、计算机科学、数据挖掘等。
在实际应用中，不同的学者提出了许多方法，使得数据融合技术在不同方向上得到了应用。
常用的数据融合技术有一下几种，如图2-1所示，其中主要分了经典数据融合技术和现代融合技术两大类。
图2-1数据融合相关技术
本文主要应用了数据融合技术的模糊控制理论方法，属于智能控制的应用范畴。
下面主要描述一下模糊控制理论方法的相关知识。
模糊逻辑控制（FuzzyLogicControl），简称为模糊控制（FuzzyControl），基于模糊集理论，模糊语言变量，基于对人的判断逻辑仿真的思想方法的模糊逻辑推理理论，在计算机的逻辑推理和决策过程的模拟，进而达到人工智能控制的目的。
一个标准的模糊逻辑控制系统的架构主要包含五个主要部分，即:
变量定义、模糊化、知识库、模糊推理及解模糊化。
1）变量定义:
根据系统的要求，决定选择被观察到，考虑到控制作用为模糊变量的模糊逻辑控制系统的程序。
2）模糊化:
根据模糊集理论，以适当的比例将输入变量值转换到模糊语言变量的语言值，这里的转换主要是基于模糊集合的隶属度函数。
3）知识库:
知识库由两部分组成:
规则库和数据库，其中规则库则由一系列语言控制规则来描述控制目标和策略、数据库提供相关定义来处理模糊数据。
模糊控制规则库的来源主要有4条途径，分别是基于专家的经验和控制工程知识、基于过程的模糊模型、基于操作人员的实际控制过程与基于模糊控制的自学习。
4）模糊推理:
模仿人类在做出决策判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推理论法进行推论，得到模糊控制的讯号。
最基本的模糊推理形式为:
前提1IFATHENB
前提2IF
结论THEN
其中，A、为模糊集合论域上的模糊子集，B、为另一论域上的模糊子集。
模糊逻辑推理的推理方法一直处于发展之中，其中比较经典的推理方法有:
Takagi-Sugeno型模糊推理算法、Larsen模糊推理运算算法、Mamdani型模糊推理算法等。
5）解模糊化（反模糊化）
将模糊推论所获得的模糊值根据一定的去模糊化方法转换为系统中明确的控制讯号做出整个模糊控制系统的控制操作。
所谓去模糊化或作模糊判决是指将输出的语言模糊量根据一定的方法变换为精确的数值。
去模糊化常用的方法有:
重心法，加权平均法，最大程度的隶属函数，隶属度限幅元件平均法和中值法等。
一个标准的模糊控制器的基本结构如图2-2所示。
图2-2模糊控制的基本结构
2.1.5数据融合技术的主要特点
数据融合技术相对于单一的数据处理技术而言，主要的特点包括如下方面:
1.增加了整个系统的生存能力。
在某些传感器或若干数据源不能利用或收到干扰时，总会有一定数目的数据源可以提供可靠信息，使整个系统不受干扰，进而连续运行、弱化故障，增加检测概率。
2.增加系统决策的可信度和可靠性。
对多个数据源提供的信息进行融合处理，使整个系统的决策判断更加准确，减少单个数据源提供信息不可靠的影响。
3.提高了系统的分辨能力。
多数据源信息较单数据源信息具有更高的分辨力，使整个系统对观测量的敏感能力增强，进而使系统对观测量的细微变化做出更加精确的决策判断。
2.2GPRS技术简介
GPRS是通用无线分组业务（GeneralPacketRadioService）的英文简称，是第二代移动通信GSM向第三代移动通信3G过渡的技术，因此属于国际流行的2.5代移动通信技术，是一种远程数据传输通信技术。
相对GSM来说，其优势在于在GSM的基础上建立了GPRS系统，即增加了GPRS服务支持节点和网关支持节点，以及点对点数据服务中心等。
另外，GPRS的数据率为171.2kbits，高于GSM的9.6kbits，并且实现了数据分组传输，对于数据应用来说，传统的电路交换浪费资源，因此分组交换在数据应用方面效率要高得多，从而节省了带宽，减少了传输费用。
GPRS网络的主要特点如下:
1.高可靠性和稳定性。
2.永远在线，接入速度快。
在数据收发的过程中，移动终端能够立刻向网络申请网络资源，不需要重新拨号，接入时间小于lS。
3.传输速率高。
GPRS网络的最高数据率可达171.2kbitS。
4.支持多种服务质量QOS（QualityOfService）。
GPRS网络支持低、中、高优先权以及资源预留四种服务质量，进而提供了更多选择的机会。
5.按流量大小收费，改变了以往按时间收费的不足。
6.支持IP协议和X.25协议，实现了与InternetIntranet的兼容，增大了覆盖范围。
由于本系统的数据量不大，但需要比较快的响应速度，需要将信息及时的发送到控制中心，所以本系统选择GPRS网络将酒驾数据上传至交警部门的控制中心。
通过GPRS网络将各个设备终端共同连接到控制中心，可以实现任意地点的远程数据传输，控制中心可以实时获取到系统的相关信息，相对于GSM系统，具有响应快，成本低的特点，本系统采用的GPRS模块为SIM900A。
本部分的基本实现过程如下:
控制中心系统建立一个网络服务器，监听来自监测系统的网络连接，当监测系统需要将监测到的数据传递到控制中心时，会通过GPRS网络建立一个TCP或者UDP连接，当连接成功建立后就可以将数据可靠的传输到控制中心，在控制中心进行分析，通过解析数据做出回应。
通信结束后，系统断开连接，完成整个通信过程。
3系统的单元硬件设计
3.1车载酒精检测系统的概述
车载酒精检测系统是指利用传感器技术、数据融合技术以及GPRS技术自动读取车内空气中酒精含量，并进行综合处理，最终作为司机酒驾的依据。
车载酒精检测系统不但能够实现自行检测、实时上传功能，还能为交警部门节省大量的人力物力。
目前对于酒精检测的种类很多，按照检测方式的不同可分为人为检测和自行检测。
人为检测即公安交管部门通过交警人员采用便携式酒精测试仪强制性的来检测司机是否酒后驾车，且只能针对部分车辆抽样检测，具有局限性。
自行检测即利用酒精传感器来检测车内的酒精含量，但以前设计的系统基本上是一个单个酒精传感器，对车内气体的流通情况欠缺考虑，干扰大从而使得数据的可靠性不高，因此难以很好推广。
本系统中选择数据融合技术和GPRS技术相结合的方式进行数据的处理以及传输，解决了上述两种酒精检测存在的问题。
综上所述，我们设计了用MQ-3和ME3A-CZH50H来检测车内的酒精含量、用模糊控制算法对数据进行融合处理，用STM32单片机作为控制中心。
结合GPRS远程无线数据传输将酒驾车辆的相关信息发送至交警大队的控制中心。
该系统具有功耗低，实时性好，数据远程传输等优点。
3.1.1车载酒精检测系统的设计原则
为了有效的防止酒驾的发生，本系统是基于以下设计原则研究开发的:
1.实用性原则本系统采用MQ-3和ME3A-CZH50H来检测车内的酒精含量，无需人为检测，具有实时性强，安全可靠等优点。
2.可靠性原则本系统采用模糊控制算法对酒精传感器测得的数据进行处理，相比与单个酒精传感器测得的数据更加精确。
3.低功耗原则车载设备的功耗问题一直被广泛关注，车辆设备应用场合特殊，所以要保证设备有效工作能力尽可能强。
4.经济性原则以尽可能少的花费去设计该系统，尽可能将该设施配备于每一辆即将出厂的汽车，得到广泛应用。
5.适应性原则本系统采用的MQ-3和ME3A-CZH50H的使用温度均为-10~50，能够稳定运行在车内的空间中。
3.1.2车载酒精检测系统的组成
基于STM32的车载酒精检测系统主要分为两个部分:
一是车载终端部分，也是车载酒精检测系统的重点内容。
主控制器安装在汽车内部，为了直观，将主控制器框图画在汽车外部。
二是无线数据传输部分，将酒驾车辆的相关信息通过GPRS模块发送至交警部门控制中心的IP上，或者发送至具体的手机号上。
其整体结构如图3-1所示。
图3-1车载酒精检测系统的总体架构
3.2系统的总体设计分析
本课题设计了一套针对酒驾人群的实时的，自动化的车载酒精检测系统。
主要功能设计思想是通过车载部分的酒精传感器采集车内气体中的酒精含量，送至调理电路中，并将调理后的信号送至主控制器STM32进行数据融合处理，一旦酒精含量超过预设值，则将数据通过GPRS网络发送至交警部门的控制中心，从而实现自动化、实时监测的目的。
本设计希望提供的是面向大众化的产品，在开发初期，对其功能设计、技术选择及系统成本进行了市场定位，确定了功能需求。
根据人们的需要正确地定位系统，科学地、理性地选择功能是关键。
考虑到我国目前对于酒驾的监察力度以及检测手段，本系统设计定位于对酒驾人群的酒精检测，系统突出的优点是低功耗、安装方便、使用灵活、自动化检测。
同时考虑到我国仍是一个发展中国家并且贫富悬殊较大，因此本系统的设计定位在低成本，主要有酒精含量检测、液晶显示、发送数据等功能，所选取的器件既要保证经济实用又要具备稳定的工作性能。
车载酒精检测系统是在自动化、实时监测的基础上设计的，不用人为的去检测，同时不受距离的约束，能够把酒驾信息直接发送至交警部门的控制中心，达到实时监测的目的。
系统的各部分功能如下:
1.车载酒精检测系统的终端采集工具有MQ-3和ME3A-CZH50H，用来采集汽车内气体中的酒精含量。
2.传感器将采集到的酒精信息，传送给微处理器处理。
3.微处理器通过模糊控制算法对数据进行分析，得出最终酒精数值并与预设值做比较，若超出则汽车通过液晶屏周期性闪动来警示司机己经处于酒驾状态，并将酒驾数据通过GPRS网络发送至交警部门的控制中心或者具体的手机号上。
系统的功能结构如图3-2所示。
图3-2车载部分总体框图
在硬件设计的过程中，为了使硬件电路的设计更加合理，在别人成功经验的基础上还重点考虑了一下几方面的内容:
1.为了提高系统的可靠性，尽可能地采用一些标准化的经典电路，电路中尽可能使用的功能强大的芯片，并且集成度要高。
2.系统在保证现有功能正常工作的同时，要适当地留有余地，以便日后进行系统其它方面的功能的拓展。
3.由于电子技术的发展是非常迅速的，因此在设计时尽可能地使用一些较新的技术。
3.3控制器的电路设计
3.3.1控制器的选择
车载酒精检测系统要求实时性好，稳定性好，性价比高，考虑到系统完成的功能较多，选用意法半导体公司生产的微控制器STM32F103ZET6。
STM32增强型单片机使用高性能的ARMCortex-M332位处理器，M3的M指代的是ARM中的M，与ARM相比，它同样可以提供MCU这一平台，成本低、功耗低、性能介与ARM7与ARMS之间。
Cortex-M3是能提供额外的代码效率的32位的精简指令集微处理器（RISC），在通常8为到16位系统的存储空间上获得了ARM核心的高性能。
1.内置高速存储器，片内FLASH容量高达512K字节，用于存放程序和数据。
2.64K字节的SRAM,CPU能以0字节读写。
因此，我们无需增加外部的数据存储器，这样可以节约系统成本，提高系统的稳定性和可靠性。
3.112个通用IO口（GPIO）的输入输出功能可有软件配置，根据需要，可以配置成开路输出或推拉、带或不带上拉或下拉的输入等功能。
STM32的IO有两种管脚:
CMOS和TTL，所有管脚都兼容CMOS和TTL电平。
4.3+2个通用同步异步接收发送器（USART），高达4.5兆位秒的接口速率。
3个SPI接口，在从或主模式下，全、半双工的通信速率可以达到18兆位秒，方便与时钟芯片、存储器等外围器件通信。
5.STM32F103ZET6支持睡眠、停机和待机模式三种低功耗模式。
6.VDD电压范围为2.0V至3.6V，接口耐压值为5V。
总之，STM32F103ZET6芯片的引用，降低了功耗和生产成本，提高了整个系统的运营效率，与同类系统的芯片相比，性能有了显著地提升。
3.3.2STM32F103电路设计
要保证系统的正常运行，必须要配置STM32F103ZET6的最小系统。
1.晶振电路
STM32F103ZET6单片机采用两个外部晶振，分别为32.768KHz和8MHz。
一般选用8M晶振提供实时时钟。
2.复位电路
为了提高系统的可操作性，设计了上电或按键复位电路，一旦RST上电压低于复位电压，系统进入复位状态。
电源接通瞬间，由于电容C25的充电作用，RST上是低电平，单片机自动复位。
在单片机运行期间，按下按键B1后松开，也可以使RST保持一段时间低电平，实现单片机的复位。
3.JTAGSWD接口
JTAG（JointTestActionGroup）联合测试行动小组是一种国际标准测试协议（IEEE1149.1兼容），标准的JTAG接口包括:
TMS,TCK,TDI,TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
通过JTAG接口，我们可以烧录和调试程序，可以与目前主流JUNKV8仿真器配合使用。
另外STM32还有SWD接口，SWD只需要最少两根线（SWCLK和SWDIO）就可以下载并调试代码了，SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠。
另外，芯片上的BOOTO和BOOT1用来设置STM32F103的启动方式，具体跳帽设置和启动模式如下表3-3所示。
表3-3跳帽设置和启动模式
3.4酒精传感器模块
3.4.1MQ-3模块介绍
MQ-3使用的二氧化锡（Sn02）作为气敏材料，当传感器处在存在酒精蒸汽环境中时，传感器的电导率会随着空气中酒精气体浓度的增加而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的信号。
主要特点有:
1.具有信号输出指示。
2.输出的双通道信号（模拟量输出与TTL输出）。
3.TTL输出有效信号为低电平。
4.模拟输出电压为O-5V，浓度高则电压高。
5.对乙醇蒸汽拥有很高的灵敏度和不错的选择性。
6.它具有较长的使用寿命和可靠的稳定性。
7.快速的响应恢复特性。
工作原理如图3-4:
图3-4MQ-3的工作原理图
3.4.2ME3A-C2HSOH模块介绍
ME3A-CZH50H利用待测气体在电解池中工作电极点位上的电化学氧化过程，其浓度与待测气体电化学反应所产生的电流成正比，遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。
主要特点有:
高精度、低功耗、线性范围宽、高灵敏度、抗干扰能力强、优异的重复性和稳定性。
实物图如图3-5所示。
图3-5ME3A-CzH50H实物图
ME3A-CZHSOH工作的调理电路如图3-6所示:
图3-6ME3A-CzH50H工作的调理电路
3.5液晶显示模块
TFT是“ThinFilmTransistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管（矩阵）一一可以“主动的”对屏幕上的各个独立的像素进行控制。
本系统用的是3.2寸以ILI9320为控制器的TFTLCD。
ILI9320控制器是一款带有262144种颜色的单芯片SOC驱动的晶体管显示器，720路源极驱动以及320路的栅极
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