酒精测试仪毕业设计(论文).docx

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哈尔滨工业大学毕业设计（论文）

酒精测试仪毕业设计

-I-

摘要

酒后驾车造成交通事故不计其数，带来很大危害。

各国都在采取各种方法来解决这个问题，但最终没有找到一个很好的解决方法。

酒后驾车控制器就是因此而设计的。

在这之前，同类产品国内外已有，但都因为成本、可靠性、方便性等原因没有得到推广。

本设计就是在前人基础上，使其有效、可靠的控制酒后驾车，并将完善其他功能。

最终目的是使它能够得到广泛应用，最大限度的限制和杜绝酒后驾车现象。

设计采用半导体酒精探头，其特点是灵敏度高、稳定、可靠；控制器采用89C2051单片机，其具有体积小、功耗低和带有电位比较器；设计上采用发射和接收分离的无线传输技术，使其设备体积小、使用方便、易操作、易安装等特点。

此外发射端发送信息码，接收端检验接收码正确性，从而增加了电子锁的功能；整体来说，该设计有成本低、结构简单、可靠性强、易于使用的特点，将会成为汽车上不可或缺的安全工具。

关键词 酒后驾车控制器；酒精探头；89C2051；无线传输技术；信息码；电子锁

-II-

Abstract

Causingthetrafficaccidenttobecountlessbycarafterdrinking,bringandendangergreatly.Variouscountriesaretakingvariouskindsofmethodstosolvethisproblem.Buthasnotfoundaverygoodsolutionfinally.

Thecontrolleriswhatisdesignedbecauseofthistodriveafterdrinking.Beforethis,therearethelikeproductshavebothathomeandabroad,butbecauseofthecost,dependability,thereasonofhelpingetc.isnotpopularized.

Itistomakeitseffective,reliablecontroldriveafterdrinkingonthebasis

offorefatherstooriginallydesign,andwillperfectotherfunctions.Thefinalpurposeistomakeitusedwidely,maximumrestrictionandphenomenonofstoppingtodriveafterdrinking.

Designingandadoptingthesemiconductoralcoholsensor,itscharacteristicisthatsensitivityishigh,andsteady ,reliable;Thecontrolleradopts89C2051

one-chipcomputer,ithassmall,lowpowerdissipationandhavingelectricpotentialcomparators;Adoptlaunchingandreceivethewirelesstransmissiontechnologyseparatedonthedesign,makeitsequipmentsmall,easytouse,easytoinstall,inadditionlaunchtheendtosendtheinformationyard,receive

theendtoexamineandreceiveoneyardofexactness,thusthefunctionincreasingelectronlocking;Comewhollytosay,thisdesigniswithlowcosts,

ofsimplestructure,willbecomeatoolwhichindispensableontheautomobilewith.

Keywords drivethecontrollerafterdrinking alcoholsensor 89C2051wirelesstransmissiontechnology informationyard

theelectronlocking

-V-

目录

摘要 I

Abstract III

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2目前采取方法 2

1.2.1呼气酒精测试 2

1.2.2高智能汽车 2

1.2.3驾驶员酒后开车控制器 3

1.3设计要求 3

第2章方案设计 4

2.1设计方案选择 4

2.2采用方案 7

2.2.1发射部分 7

2.2.2接收部分 8

2.2.3整体设计过程 9

2.3可行性分析 10

2.4本章小结 11

第3章硬件设计 12

3.1发射部分 12

3.1.189C2051单片机 12

3.1.2酒精含量检测模块 13

3.1.3吹气判断模块 17

3.1.4指示灯模块 18

3.1.5发射装置模块 18

3.1.6发射总体部分 19

3.2接收部分 20

3.2.1接收装置模块 20

3.2.2报警语音模块 22

3.2.3稳压降压模块 22

3.2.4执行模块 23

3.2.5接收总体部分 24

3.3本章小结 25

第4章软件设计 26

4.1单片机理论说明 26

4.1.1中断系统 26

4.1.2定时/计数器 28

4.1.3串行口 29

4.2程序流程图 31

4.2.1发射部分程序流程图 31

4.2.2接收部分程序流程图 35

4.3本章小结 39

第5章安装调试 40

5.1安装调试过程 40

5.2调试方法 41

5.2.1硬件调试 41

5.2.2软件调试 41

5.3本设计具体调试用例 41

5.3.1黄灯忽亮忽灭 41

5.3.2语音电路的喇叭不响 42

5.3.3接收部分不工作 42

5.4本章小结 42

结论 43

致谢 44

参考文献 45

附录1中文译文 46

附录2外文文献 55

第1章绪论

1.1课题背景

交通事故已成为对人类生命安全威协最大的“第一公害”。

全球每年有

50万人因车祸丧生。

引起交通事故的基本因素有人、车、路、环境与管理等,其中驾驶员本身因素占70%。

而酒后驾车是驾驶员驾驶事故重要因素之一。

世界各国统计,30%～50%的交通事故由饮酒后驾车所至。

我国交通部门报道,酒后驾车的交通事故率比平常人高出至少 5～6倍。

在1989～1990年中,因酒后驾车引起的交通事故平均每年高达 3万余起。

我国交通法规规

定：

禁止酒后驾车。

在我们的调查中,驾驶员承认有酒后驾车者达11.99%,且有2.43%的驾驶员经常酒后驾车。

酒后驾车与车祸的关系是无可辩驳的。

美国近46%的交通事故与酒精有关,且酒后驾车是美国车祸的三种主要危险因素之一。

联邦德国有70%的交通事故与酒后开车有关。

美、日等国的研究表明,血液中酒精浓度为0.03%、0.09%、0.15%时,驾驶能力分别可下10%、

25%、30%。

饮酒可致驾驶员视觉功能、触觉敏感度、判断能力、注意力等下降,从而致交通事故的发生。

目前，我国对于酒后驾车行为的监控主要采取出动警力，定期抽查的方式。

但由于人员有限等原因，管理仍存在一定的难度。

交管部门对此也非常苦恼。

由于酒后驾车的危害，交管部门加大处罚力度。

现在一经查出是酒后驾驶的，即使只喝了一小口，将处以 50元罚款，

吊扣驾驶证3个月，记6分；发现是醉酒驾驶的，将处以200元罚款，吊扣

驾驶证6—12个月，记12分以及行政拘留15天。

酒后驾车造成死亡1人或

重伤3人以上的，将处以3年以上、7年以下有期徒刑。

需要注意的是，乘

车人若明知驾驶人员饮酒了却依然乘坐，那么乘车者也将被处以警告或 10元以上30元以下罚款。

在英国，酒后驾车等于失去工作。

因为他们上班的主要的交通工具就是汽车。

酒后驾车造成的交通事故对国家、他人、自己产生了难以估计的后果。

为了减少这种现象的出现，世界各国都在想办法来解决这个问题。

-66-

1.2目前采取方法

1.2.1呼气酒精测试

目前全世界几乎所有国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量者是否是酒后驾驶。

主要有燃料电池型呼气酒精测试仪和半导体型呼气酒精测试仪。

可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型，即：

燃料电池型（电化学）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。

但由于价格和使用方便的原因，目前常用的只有燃料电池型

（电化学型）和半导体型两种。

这两种能够制造成便携型呼气酒精测试器，适合于现场使用半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，这类半导体器件具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，对外呈现的电阻值就降低。

这种半导体在不同工作温度时，对不同的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，该传感器对酒精具有最高的敏感度。

燃料电池型呼气酒精测试仪采用燃料电池酒精传感器作为气敏元件，它属于电化学类型，因此又称为电化学型。

燃料电池是当前全世界都在广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电能，而不产生污染，酒精传感器只是燃料电池的一个分支。

燃料电池酒精传感器采用贵金属白金作为电极，在燃烧室内充满特种催化剂，使进入燃烧室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃烧室内气体的酒精浓度成正比。

与半导体型相比，燃料电池型呼气酒精测试仪具有稳定性好，精度高，抗干扰性好的优点。

但是由于燃料电池酒精传感器的结构要求非常精密，制造难度相当大，目前只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产，加上材料成本高，因此价格相当昂贵，是半导体酒精传感器的几十倍。

半导体型酒精测试仪的最大优点是价格低廉，只有燃料电池型的几分之一，但性能远比燃料电池差，所以通常用在自我检测或一般性测试。

对于作为执法或者处罚依据的人体酒精含量检测，就应该使用燃料电池型酒精测试仪。

1.2.2高智能汽车

据报道，英国最近发明了一种高智能汽车，可以自动拒绝司机酒后驾驶。

这款崭新设计的高智能坐骑，装有一套名为“个人警察”的监察系统，

由红外线摄像机、感应器和带有电脑分析功能的“小黑箱”组成。

“小黑箱”会把摄像机录制的司机眼球活动情况以及感应器侦察到的方向盘扭转动作集中起来进行分析。

若司机是在头脑清醒的情况下驾车，通常在扭动方向盘之前，会先审视一下行车方向。

司机喝得愈醉，审视的时间愈短。

“个人警察”系统将根据司机审视时间的长短，来判定司机的醉酒程度，决定是否响起警铃，或使汽车无法启动。

1.2.3驾驶员酒后开车控制器

市面上存在很多这种仪器。

主要通过吹气，酒精检测设备检测酒精含量，若含量超标切断汽车点火器，使其无法开动，以达到控制作用。

但是其中总存在一些弊端。

如可靠性、实用性、成本等因素而没有得到推广。

1.3设计要求

目前市场上有多种警用酒精测试仪，随着技术的发展功能越来越多、灵

敏度越来越高，它能协助交警定点抽查驾驶员是否饮酒 ,但实施面太窄,为给交通管理部门提供科学的管理手段,提出了酒后驾车控制器。

设计要求：

（1）安装在汽车上，不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车，以确保了司机的安全，又减少了交警等人员的工作量。

（2）酒精传感器灵敏度高，控制器体积小、功耗低、具有电压比较功

能。

（3）能够检测到酒精含量是否超标，超标则切断点火器，使汽车无法开

动，以达到控制酒后驾车。

（4）这种设备成本要比呼气酒精测试仪低。

（5）实现和使用方法简单、可靠性强、易推广等特点。

第2章方案设计

2.1设计方案选择

对酒后驾车控制，存在的可设计方案很多，并且能实现其他附加功能。

但鉴于成本、可靠性、实用性等因素考虑，提出以下几种方案。

方案一：

智能监控器。

驾驶员一旦饮酒，其呼出的乙醇气体被捕捉到，监控器立即作出反应，其功能有:

显示被测对象的乙醇浓度；振荡式声、光报警；累计记录驾驶员酒后开车的次数；由控制开关强行切断汽车点火装置的驱动电源。

设计图如图2-1所示：

显示一：

该显示窗共有4位显示，采用数码管直接显示当前时刻驾驶员呼出的气体中乙醇气体的含量，因酒敏元件本身存在一定的非线性，监控器采用软件处理后，显示较为准确。

显示二：

该显示窗也有4位，它实际上是累计记录驾驶员酒后开车的次数，因为是累计数，所以不能采用汽车电瓶作为其电源，于是单独采用了带有计算功能的电子表作为显示记录器。

静态时,记录器的正、负端之间的电压很低（约60mV），它被锁住在一个记录状态，监控器在报警的同时，产生一个尖脉冲

信号，记录器自动加1。

为避免记录器受电路其它部分的影响，中间接有光、电隔离管。

于是交通管理部门可定期通过“显示”对驾驶员酒后开车情况进行检查。

报警：

所接收到的乙醇信号达到报警点时，监控器经软件处理后，立即控制红、绿发光二极管交替闪烁，作出光报警信号 （静态时，仅有绿灯恒亮，作为电源指示），同时，由外接晶振断续发出声音报警信号。

控制：

由于种种原因，有些驾驶员饮酒后仍会强行开车，这样很容易造成事故。

为此，在充电电瓶（DC12V）与点火装置之间，设计了一继电器开关。

一旦驾驶员酒后强行开车，监控器则切断点火装置的电源，禁止汽车启动或运行，此时汽车可能会停止在交通要道上，为避免交通堵塞，监控器报警后延时20s，再发控制信号，而待报警解除后 5s内控制信号即消失，汽车便可重新启动。

该监控器仅适用于有驾驶室的汽油车，不适用于摩托车，对于柴油车，仅有显示、报警和记录功能，没有控制功能。

显示一

显示二

酒精传感器

A/D转换

单片机

控制开关

声光报警

检测气体

图2-1方案一设计图

方案二：

汽车智能控制。

此设计是对驾驶员驾车进行全面控制。

酒后驾车是其中一部分。

此设计将驾驶员和交管部门构成一个系统。

交管部门纪录驾驶员详细资料；之后将驾驶证转变为与 IC卡类似的电子驾照。

卡内存有驾驶员的姓名、身份证号码、允许驾驶的车辆类型、每年考核的情况、违章纪录等内容；最后在汽车上安装无线通讯设备。

汽车将和交通部门设置的管理系统形成一个无线网络。

驾驶员开车时，先要插入正确的电子驾照，卡内的信息通过无线网络传到交通部门的管理系统。

交通部门将检查其信息是否正确、有没有违章行为、酒后驾车的次数是否超过一定数目，如这些信息都达到安全行车的标准才能启动。

行驶时，安装在汽车上的检测空气中酒精含量系统会自动启动，开始检测。

若发现驾驶员是酒后驾车，汽车会发声，提醒驾驶员不能开车，汽车自动熄灭。

如果汽车再次启动，智能控制系统会再次作出提示，自动熄灭。

如果驾驶员连续三次启动，系统将会将其信息传到交通管理系统，交通部门将会通知附近交警迅速赶到事发地，对酒后驾车者进行相应处理。

如送到医院等。

除外，电子驾照上还会增加酒后驾车的次数，当次数超过一定规定将会在很长一段时间不能驾车，接受管理部门教育。

方案三：

采用驾驶员主动吹气方法，进行判断驾驶员是否是酒后开车。

方案设计图如2-2所示：

这个装置放在驾驶室司机右手位置，当司机发动汽车时，报警装置将会响起，提醒你使用酒精控制器。

酒精控制器一般要加热到1分钟左右，该设备绿灯会亮，说明可以吹气。

向酒精探头吹气，必须发

出声音，这样才能保证测试准确。

话筒作用判断是否吹气。

当吹气确认后，发送到单片机，开始对气体信号进行检测。

酒精含量和电压信号有一定关系

——含量越高，电压越高；温度越高，灵敏度越高。

检测信号经过了放大、检波电路，进行信号放大和对噪声的过滤。

之后，通过 A/D电路转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，指示灯亮起，可以启动汽车，继电器不起作用，酒精控制器停止工作。

反之，超标指示灯亮起，报警装置同时响起，说明不能行驶，若司机强行启动，单片机开始控制继电器，30秒后继电器开关切断点火装置电源，汽车无法行驶，从而实现酒后控制驾车行驶的功能。

电源灯

超标指示

灯

酒精传感器

A/D转换

单片机

不超标指示灯

话筒

控制开关

汽车点火装置

声音报警

吹气

优缺点比较：

图2-2方案三设计图

方案一优缺点：

智能化，自动检测到驾驶员呼气体酒精含量。

若驾驶员强行开车，自动切断点火装置电源使车无法启动或行驶。

但由于车内除了驾驶员还有乘客，乘客呼出的气体对检测装置干扰。

这种方法可靠性不强。

方案二优缺点：

采用电子驾照而系统化。

有利于对驾驶员进行管理。

此外每个人的电子驾照不同，发动汽车时，必须插入，具用防盗功能。

但是空气中的干扰很多，检测不准确，并且建立这么大的网络系统人力物力投入很大，实现困难。

方案三优缺点；设计简单，有效可靠实现酒后驾车控制。

但司机需主动

进行检测，不够智能化。

根据以上方案的优缺点比较、设计的要求及实际情况，采用方案三为基础进行设计。

2.2采用方案

该装置设计分两个部分：

发射部分和接收部分。

2.2.1发射部分

发射部分主要是检测酒精含量，判断是否含量超标，向接收部分发出信号。

图2-3是其结构框图。

将其分几个模块介绍。

（1）酒精含量检测：

吹气时，根据气体中酒精含量不同，酒精探头输出的电压也发生明显变化。

电压随酒精含量的升高而增大。

当电压增到一定的值时，说明酒精含量超标，反之不超标。

将输出电压送到单片机进行判断，检测驾驶员呼出气体中酒精含量是否超标。

（2）吹气判断：

话筒判断驾驶员是否吹气。

若无话筒，驾驶员不吹气，酒精探头无法判断驾驶员是否吹气而检测不到呼出气体中的酒精含量，而做出错误判断。

使用话筒吹气时，话筒必产生一个脉冲信号，单片机判断驾驶员吹气，再检测酒精探头送来的信号。

（3）指示灯：

指示灯有红绿黄三个。

红灯是电源指示灯，工作时亮；绿灯是吹气提示灯，酒精探头需要一定时间加热，才能达到理想的灵敏度。

加热时间到，绿灯亮，表示可以吹气；黄灯表示吹气有效，当黄灯不亮，表示吹气不充分，直到黄灯亮，单片机才开始检测酒精探头送来的信号。

（4）单片机：

单片机用来判断驾驶员是否吹气，检测气体中的酒精含量是否超标，并生成相应的码传给发射设备。

（5）发射设备：

发射设备将单片机生成的信息码调制后无线发送给接收部分。

红灯

绿灯

黄灯

酒精探头

单片机

发射

设备

话筒

图2-3酒后驾车控制器发射装置

2.2.2接收部分

接收部分主要是对收到的码信号进行判断，做出相应操作。

收到错误码，不做任何操作；收到超标码，报警音提示，点火装置断开，汽车大灯亮，喇叭响；收到不超标码，发出可行驶提示音，点火装置打开。

图 2-4是其结构框图，将其分几个模块介绍。

（1）接收设备：

接收发射部分的信号，调制后把码送到单片机。

（2）工作指示灯：

开电源后，工作指示灯亮表示接收部分开始工作。

（3）单片机：

收到接收设备送来的码，根据不同码进行不同操作。

其控制工作指示灯、继电器、语音装置。

（4）继电器：

受单片机控制，相当于开关，控制点火装置开闭、车灯的亮灭和喇叭的响与不响。

（5）报警语音装置：

当酒精含量超标，它发出警告音；当不超标，它发出提示音。

工作指示灯

接收设备

继电器

一

点火

装置

单片机

继电器二

车灯

车钥匙

开关

继电器三

喇叭

报警语音装置

图2-4酒后驾车控制器接收装置

2.2.3整体设计过程

图2-5为总体设计图，发射与接收是分离的。

发射器很小，驾驶员可随身携带，所需电源5V。

接收装置固定装在汽车上，与汽车上引出12V电压、点火装置、大灯、喇叭相连。

驾驶员在发动汽车时，首先开发射器，红灯亮说明发射器开始工作；之后绿灯亮说明酒精探头温度适宜，可以吹气；吹气后（真正吹气），黄灯亮，单片机判断酒精含量是否超标，生成的码信号由串口发给发射设备，其以无线电方式发给接收部分。

接收设备收到后解调为码信号通过串口传给单片机，其根据不同码做出相应操作。

若超标，报警音提示、点火装置断开、汽车大灯亮、喇叭响；反之发出行驶提示音、点火装置开。

5v电

源

发射部分

汽车提供12V

电压

汽车点火装

置

接收部分

汽车大灯

汽车喇叭

外部指示灯

传输信息

图2-5总体设计图

2.3可行性分析

采用这种设计方法主要是从以下角度考虑：

（1）从零器件角度看：

酒精探头选用QM-J3气敏元件，是以复合金属氧化物为主体材料的 N型半导体气敏元件，当元件接触乙醇蒸汽时，其电导率随气体浓度增加而迅速升高。

其对汽油蒸汽又抗干扰能力，灵敏度高，响应速度好，寿命长，工作稳定可靠等特点。

发射设备选用 F04E发射模块，接收设备选用配套J04H接收模块。

它是一种性价比较好的设备，灵敏度高，发射距离50米以内，低功耗。

单片机选用89C2051芯片。

低功耗，体积小，有两个特殊引脚，可作电压比较器直接使用。

（2）从设计结构上看：

使用元件少，实现简单。

（3）从设计要求上看：

它满足设计要求，有效可靠检测驾驶员是否酒后驾车。

（4）从功能角度上看：

它除了起到控制酒后驾车功能外，在传输码时，增加码的个数。

安装在不同汽车上的设备，发送不同码，这就要求发射设备与接收设备必须一一对应，这辆车的发射器用在其他车上就无效，这样控制器起到防盗锁功能。

上述各个元件成本低、使用方便、安装简单、易推广。

2.4本章小结

本章介绍了三种设计方案，比较了之间的优缺点。

根据实际情况、设计要求，阐述自己最终设计方案。

其中详细介绍了本方案的结构框图，各模块的功能及大致工作过程，最后论证了此方案的可行性。

第3章硬件设计

通过电路设计说明控制器硬件方面的情况。

3.1发射部分

3.1.1 89C2051单片机

89C2051单片机属于MCS-51系列，功能介绍：

2K可擦写闪存，工作电压2.7~6V，工作频率0~24MHZ，128BIT内部RAM，15个I/O口，2个时间计数器，6个中断源，可编程串口通信，直接 LED驱动输出。

它是低压、低功耗、高性能、体积小，只有20个引脚单片机，除了具有51系列单片机