防酒后驾车系统设计.doc
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防酒后驾车系统设计
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摘要
对于酒后驾驶现象的频频出现，设计一种智能控制系统防止酒后驾车。
该系统主要由酒精传感器、电压比较器、继电器、语音报警模块、电源组成，主要根据检测到驾驶员饮酒后人体酒精浓度的大小以电压信号输出，通过电压比较器的比较后进行稳压，信号输送到继电器控制电路，当驾驶员酒精浓度超标时继电器控制点火系统启动电路不能工作，汽车停驶，这时语音电路实现报警功能。
该设计系统是通过呼气检测，测试在安全酒精度范围内时汽车运行，测试结果不在安全范围时汽车不能启动。
关键字：
点火系统；酒精传感器；继电器；语音电路
Abstract
Inlightofthefrequentoccurrenceofdrunkdriving,designanintelligentcontrolsystemforpreventingthisphenomenon.Thissystemismainlycomposedoftheethanolsensor,voltagecomparator,relay,voicealarmmodule,andpowersupply.Detectthedriver’salcoholconcentration,outputthisinformationthroughthevoltagesignal,andthenstabilizethevoltagethroughthecomparisonofthevoltagecomparator.Thesignalsaretransmittedtotherelaycontrolcircuit,sowhenthealcoholconcentrationofthedriverexceedsthestandard,thestart-upcircuitoftherelaycontrolignitionsystemcannotwork.Theautomobilewillstopmoving;atthistime,thespeechcircuitperformsthealarmfunction.
Thedetectionofthisdesignsystemisbytestingthebreath.Whentheresultshowsalcoholconcentrationiswithinthesafescope,theautomobileoperates.Whenalcoholconcentrationisoutofthesafescope,theautomobilefailstostart.
Keywords:
IgnitionSystem;EthanolSensor;Relay;SpeechCircuit
目录
1绪论 1
1.1防酒后驾驶系统发展状况 1
1.2酒精检测仪 2
1.3设计内容 2
1.4设计思路 2
1.5设计方法 3
1.5.1电路图设计及PCB生成 3
1.5..2实物制作法 3
1.5.3示验法 3
2防酒后驾车设计方案 4
2.1防酒后驾车两种控制方式 4
2.2方案选择 5
2.3设计框图 5
2.4防酒后驾车系统设计原理 6
3防酒后驾车电子电路设计 7
3.1USB电源设计 7
3.1.1酒精度传感器检测方式的选择 7
3.1.2酒精测试仪型号的选择 8
3.2电压比较器 9
3.3.继电器控制电路 9
3.4点火系统开关启动电路部分设计 11
3.5语音电路设计 11
3.6防酒后驾车系统 12
3.7电路仿真 13
3.8防酒后驾车设计电路PCB 13
4样品制作与调试 14
总结 15
参考文献 16
致谢 17
附录A酒后驾车系统电路仿真图 18
1绪论
1.1防酒后驾驶系统发展状况
当前防酒后驾车技术主要是检测驾驶员呼出气体中酒精度的含量，从而判断驾驶员是否酒驾，主要的类型有以下几种。
检测汽车驾驶室内气体酒精含量并控制汽车速度，在汽车中安装酒精检测系统，主要由酒精传感器，放大电路，语音电路等，首先在酒精测试仪中设定酒精超标范围值，运用时检测到驾驶员呼气气体中的酒精度超过限定值范围时，汽车语音系统报警，提示驾驶员，或者是通过控制汽车内部系统使汽车停驶，我们在实际生活中检测到正在行驶的汽车，驾驶员酒精度超标启动防酒后驾车系统迫使汽车停驶，会引起交通堵塞，甚至引发交通事故，于是做了技术上的改进，控制系统控制汽车行驶的速度，使汽车逐渐停驶；酒精锁，酒精锁主要由酒精的检测和电路控制部分组成，其运用在汽车起步时，在汽车启动前驾驶员要用口对准酒精检测仪呼气，如果检测到驾驶员的呼气气体中酒精度含量超过限定值，酒精锁工作，控制汽车点火电源或者是发动机不能工作，汽车不能启动；路边不停车检测系统，在道路的两侧安装检测仪，利用激光技术穿过汽车驾驶室把检测的酒精浓度信号通过光波变化[1]，分析判定驾驶员是否酒精度超标。
由于酒后驾驶对交通安全有着严重危害性，各国都在注重研究防酒后驾驶系统，运用于生活，实现可操作性。
我们当前的研究现状有酒后驾驶的法治制研究、酒精对驾驶能力的危害、酒后驾驶的检测方法判断标准研究、酒后驾驶的预防方法研究、酒后驾驶的智能防范技术研究。
a）酒后驾驶的法治制研究即通过追究驾驶人的法律责任达到惩戒与预防酒后驾驶的目的，其中包括暂扣驾驶证吊销驾驶证等驾驶资格证，对驾驶人处以经济罚款，实施行政拘留的人身罚，或者是对驾驶人的说服教育。
b）利用酒精对驾驶能力的危害解读酒后驾驶的安全危害性进行研究，是否有什么办法能在酒后降低人体酒精度的含量。
C）根据取样的不同酒后驾驶检测方法各有不同，当前实用性最强的是呼气检测，特别是在开车的途中交通巡警检查时，运用方法就是呼气检测。
例外还包括唾液检测，血液检测等。
研究运用可行有效的检测方法判断驾驶人是否是酒后驾驶。
d）在加拿大成瘾性研究计划（TheAddictionRese-archprogram简称ARP）支持下，以道格拉斯研究中心、帕维隆毒品治疗中心和蒙特利尔的麦吉尔大学组成研究团队开展防成瘾性酒后驾驶研究。
研究表明，动机式唔谈法对于预防成瘾性酒后驾驶有显著的效果。
这时我们的防范酒后驾驶的重点就转移为驾驶员酒后不在驾驶车辆的问题。
e）酒后驾驶的智能防范技术是利用电子设备控制酒后驾驶[2],通过电子设备控制汽车内部系统运行，例如传感器检测我们驾驶人的酒精度是否超标，在达到酒精度的一定范围时，汽车能行驶，超过某一范围值时汽车不能运行。
1.2酒精检测仪
研究表明，酒精不只是削弱了驾驶人的反应能力和视野，而且还降低了驾驶员的判断能力[3]，对于利用检测工具检测人体内酒精度含量的方法多种多样，主要有人体血液取样检测，汗液取样检测，呼气酒精含量检测。
其检测的方法多种多样，在不同的场合所运用的检测方式不一样，一般交通部门用于检测驾驶员是否酒驾都是用检测仪检测驾驶员呼气中乙醇含量的标准进行检测，呼气检测方法较血液、汗液取样检测更简便，更直接，但是检测的精准度较血液、汗液取样检测低。
为了防止酒后驾车现象的发生，各国对酒精检测装置正努力研究开发，要实现两个方面的作用，第一对驾驶员饮酒进行检测，第二对车辆进行实际控制。
国内外开发的防酒后驾车检测装置主要有酒精呼气检测仪，皮肤接触式酒精探测器，远程酒精探测仪，利用嗅探器检测驾驶室气体的酒精含量；手持式非接触酒精检测器；激光测量酒精装置，检测的是汽车内乙醇蒸汽含量；汗液酒精检测装置，是通过人体的汗液进行检测[4]。
1.3设计内容
本设计主要设计自动防止酒后驾驶的继电器控制系统，主要采用继电器的开关保护作用作为该系统的核心元件，通过呼气酒精检测仪检测驾驶员酒精浓度，当驾驶员酒精浓度超标时，继电器工作实现开关保护功能，断开点火系统启动部分电路，这时语音电路报警。
本设计包括以下几个方面内容：
a设计继电器控制电路，以及继电器控制电路与点火系统启动部分的衔接；
b学习Protel99SE软件的操作，绘制防酒后驾车系统电路图，制作PCB；
C制作实物图，试验检测该设计系统的工作正常与否。
1.4设计思路
为控制或者是减少酒后驾车现象引起的交通事故的发生，防酒后驾车系统设计是基于继电器硬件控制该现象的发生。
该控制系统由USB电源，酒敏传感器，电压比较器，继电器保护控制电路配合实现酒后驾驶控制功能。
酒敏传感器安装在汽车驾驶室内，检测驾驶员开车前的酒精度，检测的酒精浓度大小以模拟的电压信号输出，经过电压比较器，把输入线性量转换为输出的开关量。
a当检测到驾驶员的酒精度超过限定范围（大于20mg/ml）时，输出高电平，经过电压比较器后，接通三极管，继电器工作，控制点火系统蓄电池到点火线圈电路启动部分的通断，从而控制汽车停驶，而电压比较器输出的高电压另一传输方向传输到语音报警电路，三极管导通，语音电路实现报警功能。
B当检测到驾驶员的酒精度正常（小于20mg/ml）时，酒精传感器输出低电压模拟信号，经电压比较器到三极管，这时根据三极管极性电压判断，三极管截止，继电器相当于不工作，汽车点火系统工作，汽车正常运行；而语音电路由于三极管截止而停止工作，不实现报警功能。
1.5设计方法
本课题设计主要设计方法分为电路图设计及PCB生成，实物制作法，示验法。
1.5.1电路图设计及PCB生成
运用Protel99SE软件制作电路图，在Protel99SE画图工具中选择电路元器件，根据防酒后驾车设计需要绘制相应系统电路图，通过该电路图生成PCB图，制作成电子原件板。
1.5.2仿真分析法
利用ISIS7Professional软件对控制电路进行仿真，查出电路图中所存在的缺陷以及错误的画法，通过仿真确定该设计电路能不能实现酒后驾车控制原理。
1.5..2实物制作法
在原理图的基础之上购买相应原件，利用学校实验室，焊接电路板。
1.5.3示验法
在所有工序都完成的情况下，用不同浓度的酒精对准酒敏传感器，观察语音报警器的工作情况是否符合该系统的原定设计酒精测量范围。
2防酒后驾车设计方案
2.1防酒后驾车两种控制方式
方案一：
单片机控制点火系统
防酒后驾车设计是实现防止驾驶员饮酒后驾车引起安全事故的发生，保证交通运行的正常，当前运用的是软件控制系统，通过单片机8051控制发动机的工作，从而保证汽车的运行。
主要是通过安装在驾驶室的酒敏检测元件检测出驾驶员是否酒后驾车，再把检测的信号输出到汽车电子控制单元ECU，由单片机程序判定，最终控制点火系统的工作，在检测到驾驶员属于酒精度超标的状况下，电子控制单元就会迫使汽车点火系统不工作，汽车不能实现打火。
酒精检测仪
信号处理
ECU
点火系统电源
图2—1
方案二：
传感器控制汽车供油系统
汽车运行之前由供油系统供油，接通电源实现打火，而防酒后驾车系统里传感器让车辆供不了油并切断发动机，而达到控制汽车运行的状态。
防酒后驾车系统控制汽车供油系统工作，利用传感器来控制供油。
主要是通过安装在驾驶室内的酒精检测仪检测的信号传输到继电器，由继电器的开关保护原理使车辆供不了油，并切断发动机工作。
点火开关打火
分电器分电
供油系统供油
酒精传感器
图2—2
2.2方案选择
相比于以上两种酒后驾车控制系统都运用到软件控制，而该设计着眼于在酒后驾驶系统安装在汽车中实现电路设计化更简单、便捷、有效，在汽车原有电路中做到改动最小的情况之下安装防酒后驾驶系统控制汽车的停驶，所以在方案一的基础之上做一个改进，该设计主要控制汽车内部电路点火系统部分的启动部分电路，利用继电器的开关保护原理控制点火系统启动部分电子电路的通断，从而控制点火系统的开关电路到点火线圈部分电路的通断，达到控制汽车停驶的目的。
2.3设计框图
驾驶室
酒精检测仪
信号处理
蓄电池
点火开关
继电器
启动
运转
图2—3
点火系统在启动时有两个部分，点火开关由蓄电池提供的电源接通后，有启动和运转两个准备项目，当点火开关开关电路闭合过程中，由酒精检测仪监测的结果使继电器处于工作或者停止工作两种状态；驾驶员属于酒后驾驶时，继电器常闭触点断开，使点火开关到点火启动部分电路断开，不能工作，发动机不运转，汽车不能启动，反之驾驶员没有酒驾，继电器常闭触点任然闭合，点火开关启动部分工作，发动机运行，汽车运行。
2.4防酒后驾车系统设计原理
驾驶员坐上驾驶室时首先要呼气检测驾驶员酒精浓度，当酒精检测仪检测到的酒精浓度大于20mg／100ml时，属于酒后驾驶，输出信号由继电器控制汽车点火系统的不能工作，汽车不能实现点火，汽车停驶，反之驾驶室酒精检测仪检测出驾驶员酒精浓度没有超标，检测出的信号传输出来，经电压比较，、三极管过度到继电器，继电器常闭状态仍然常闭，点火系统启动部分电子电路工作，实现点火工作，汽车正常运行。
3防酒后驾车电子电路设计
3.1USB电源设计
图3—1
该电源电路为整个酒后驾驶系统提供电源，VCC代表电源，提供5V电压，D+代表电路线端口3三界空间无限延伸，D-代表电路线端口2在三界空间无限缩短，GND代表接地端，S1开关控制整个电源电路的通断，S1接通时，防酒后驾车整个控制电路由USB提供电源供电工作，当S1断开时，防酒后驾车整个控制电路电源切断。
3.3酒敏传感器
3.1.1酒精度传感器检测方式的选择
驾驶员在驾驶汽车中我们对驾驶员的酒精度检测要达到检测便捷，结果显示迅速等特点，所以在防酒后驾驶系统中不可能采取抽血化验，便液检测，要最直接的方式得到可靠的结果，“呼气式酒精检测仪”满足这些要求，它可以把监测得出的结果迅速通过信号传递出去。
呼气式酒精检测仪它大致分为五类[5]：
3.1.1.1湿化学法
这一研究检测方法在上个世纪20年代就开始运用，检测原理是酒精蒸汽被酸性高锰酸钾溶液氧化，再根据溶液褪色时间推测乙醇浓度，至今世界上很多国还在运用这种检测工具。
3.1.1.2气相色谱法
气相色谱法在检测血液，尿液应用中效果明显，在医学方面广泛运用。
在酒精检测中主要对呼气中蒸汽比较敏感，但设备体积问题，没有得到广泛应用。
3.1.1.3电化学方法
电化学方法又称之为燃气电池型呼气酒精测试仪，其根据呼气中酒精被催化剂氧化成二氧化碳和水的过程中释放出化学能，化学能经转换为电流变化显示乙醇浓度高低。
该酒精测试仪精度高，操作简便，稳定性好，运用比较广泛。
3.1.1.4红外光谱法
它通过酒精分子吸收红外线的程度，确定酒精的含量。
在我们现今集成电路发展飞速的时代，红外光谱法的研究正逐步面向社会。
在汽车运用中酒后驾驶系统酒精检测器是一个长时使用部件，需要工作效率高，使用寿命长，而且受到极小的干烧，红外光谱法呼气酒精测试仪测试稳定，抗干扰能力强，适合运用于酒后驾驶系统酒精检测方法，能更好的实现防酒后驾车系统的功能性。
3.1.2酒精测试仪型号的选择
本课题本着节约经济性的原则，酒后驾车设计中采用MQ—3型酒精传感器，运用到防酒后驾驶系统设计中汽车驾驶员的酒后驾驶判断。
MQ—3型气敏传感器技术参数
探测范围：
10—1000ppm
灵敏度：
Rinair/rintypicalgas≥5
敏感体电阻：
400—4000K
响应时间：
≤10s
恢复时间：
≤30s{6}
该类酒精传感器适合防酒后驾车系统设计运用，主要是由长期的使用寿命，在汽车中安装酒后检测装置就希望要有较高的工作率，长时间有效使用，而不是长期的更换；而且在检测驾驶员呼出气体时反应快，能在第一时间检测出结果，也对乙醇有很高的灵敏度，所以在酒后驾车设计中运用该型号酒敏原件能达到预想效果。
图3—5
酒精测试仪选择的是呼气式酒精传感器，型号是MQ—3，1端是电源端，提供5V电压，2端接地，3端通过酒精传感器测试的结果以模拟的信号输出。
3.2电压比较器
图3—6
电压比较电路将酒精传感器输出的模拟信号与一个参考固定电压相比，在酒精传感器输出模拟信号电压与相比较的参考电压相近，比较器相应输出端产生电压变化，也就是高低电压的变化，当电压比较器输入端电压大于UR时，电压比较器输出一端为低电压，对D1、D2截止；当变压比较器输入端电压小于UR时，电压比较器输出端一段为高电压，D1导通，D2反向截止。
D1、D2起着对输出电压一个稳压保护作用。
3.3.继电器控制电路
图3—3
该电路中继电器KM1是使用型号：
HK4100F—DC5V—SHG；触点负载：
3A250VAC/30VDC；阻抗：
≤100mΩ；额定电压：
阻抗：
5v。
该类继电器价格便宜，使用寿命长，转换效率高，适合本电路设计运用[7]。
输入端接电压比较器输出端，1端口接点火总开关，5端口接点火线圈。
1、5为继电器常闭端，2、6为继电器常开端。
本电路由三极管基极电压信号判断三极管的通断[8]，当三极管接通时，继电器工作，继电器常开触点闭合，常闭触点断开，也就是2、3端闭合，1、5端断开。
继电器电源由ESB提供电源，3端输入的信号经继电器，4端接地。
3.4点火系统开关启动电路部分设计
图3—4
SW_C1是点火开关，点火过程中由汽车蓄电池提供电源，蓄电池一段到点火线圈，另一端通过继电器到点火线圈，当继电器工作在常闭触点任然闭合时的状态下，汽车实现点火，把蓄电池提供的电源经开关通断接通到点火线圈[9]。
3.5语音电路设计
图3—2
三极管输入端接入电压比较器，该语音电路芯片选择的是高端驱动芯片，带自保护功能，集成度较高，适合电子控制器件的运用，正适合本设计选用的标准，由三极管基极方向输入的信号判断三极管的通断，当三极管工作接通时，语音报警电路工作，语音原件实现报警功能，三极管截止时，语音报警电路不工作。
该电路中三极管选用的是8550型号[10]。
3.6防酒后驾车系统
图3—7
酒精传感器（酒精检测器）由USB电源供电工作，把检测驾驶员呼出气体中酒精浓度的大小转化为电压信号的高低变化【11】，通过3端口传输经过电压比较器分流电阻到语音电路和继电器控制部分。
驾驶员驾车前打火时，防酒后驾车系统工作在以下两种状态：
a当酒精检测器检测到驾驶员酒精浓度小于20mg／100ml时，酒精传感器3端输出低电压信号，低电压信号输送到电压比较器输入端正极，电压比较器中参考额定电压时5V，酒精传感器输出电压信号与电压比较器中电压相比较，当电压信号低于参考额定电压时信号时电阻R1端的电压就为低电压，该电压通过分流电阻在三极管P2时，根据三级管的极性电压通断判断[12]，基极电压低于发射极电压，P2基极到发射极极点电路截止，从而继电器相当于不工作，常闭触点任然闭合，常开触点任然断开，继电器就相当于电路中一段导线，点火系统中蓄电池到点火线圈部分电路接通，汽车正常工作。
同时分流电阻把酒精传感器3端输出的信号传输到P3基极，这时P3发射极电压高于基极电压，P3基极到发射极极点电路截止，P3断开，语音电路不工作。
b当酒精检测器检测到驾驶员酒精浓度大于20mg／100ml时，酒精传感器3端输出高电压信号，高电压信号输送到电压比较器的输入端正极，电压比较器中参考额定电压为5V，酒精传感器输出高电压信号与电压比较器中电压相比较，该信号电压大于参考额定电压时，电压比较器输出的高低变化电压在R1端为高电压信号，三极管P2发射极电压低于基极电压，三极管P2导通，信号通过P2发射极传输到继电器KM1，KM1常开触点闭合，常闭触点断开，汽车点火系统蓄电池接到点火线圈电路启动部分断开，不能实现点火工作，汽车不能运行；同时分流电阻把酒精传感器输出的电压信号传输到三极管P3，同样通过三极管的极性电压极性通断判断[13]，基极电压高于发射极电压，P3基极到发射极极点电路导通，信号由P3发射极传输到语音电路LS1端口，语音电路工作，实现报警、提示功能。
在整个控制系统中，电源供电都由USB供电，通过开关S1控制整个电路的电源通断。
3.7电路仿真
在利用ISIS7Professional仿真过程中该软件没有就敏传感器，所以用光敏传感器代替，而在最后蓄电池到点火线圈电路该软件没有模块原件，也用电压表代替。
3.7.1传感器到电压比较器部分电路仿真
仿真时调节光敏传感器的电压大小，电压比较器输出端电压也随着光敏传感器电压的大小变化[14]。
电阻
R4
R2
RV1
R3
输出电压
电阻阻值
22K
2K
10K*60%
10K
5V
表3—1
R4、R2、RV1、R3在表3—1时的数值时，仿真中光敏传感器在该位置时输出电压为高电压。
图3—8
电阻
R4
R2
RV1
R3
输出电压
电阻阻值
22K
2K
10K*78%
10K
0.05V
表3—2
当改变滑动变阻器RV1的阻值为表3—2数值时，电压比较器输出端输出电压为低电压。
图3—9
电阻
R4
R2
RV1
R3
输出电压
电阻阻值
20K
2K
10K*60%
10K
0.05V
表3—3
R4电阻值减小时，输出电压为低电压0.05V，如图3—10。
图3—10
3.7.2继电器控制电路仿真
当输入信号加一个高电压时，输出电压仍为高电压，继电器常闭触点断开，常开触点闭合，仿真图如3—4所示。
图3—11
当输入信号加入一个低电压时，输出电压仍为低电压，继电器常闭触点仍然闭合，仿真图如3—5所示。
图3—12
3.7.3酒后驾车控制系统整体仿真
当传感器输入信号电压大于1.56V时继电器常闭触点断开，点火系统不能工作，如图附录A所示。
当传感器信号电压小于1.56N时，继电器常闭触点仍闭合，汽车点火系统正常工作，如图附录B所示。
3.8防酒后驾车设计电路PCB
图3—8
4样品制作与调试
该设计选用单面线路板，零件集中在线路板的一面，在网上所购的元器件通过学校实验室制作出电路板。
在线路板的焊接过程中，由于工不精，遇到了样品制作的一大难题，通过反复的焊接过程克服了该
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