酒后驾车控制器酒精探头无线传输技术信息码检测仪设计方案.docx
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酒后驾车控制器酒精探头无线传输技术信息码检测仪设计方案
酒后驾车控制器酒精探头无线传输技术信息码检测仪设计方案
1.1研究背景
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，不定期抽查的方式。
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。
车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于20mg/100mL小于80mg/100mL的驾驶为。
属于饮酒驾车，车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于80mg/100mL的驾驶行为属于醉酒驾车。
由公安机关交通管理部门约束至酒醒，15日以下拘留和暂扣3个月以上6个月以下机动车驾驶证。
现行道路交通安全法还规定，一年内醉驾被处罚两次以上的，吊销机动车驾驶证，5年内不得驾驶营运机动车。
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。
1.2国内外发展现状
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研究意义
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。
基本要求：
（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1章基础技术
2.1软件介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
Keil_c软件界面如图1所示：
图1Keil_c软件界面
Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件。
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。
Protel99SE软件的特点：
（1）可生成30多种格式的电气连接网络表；
（2）强大的全局编辑功能；
（3）在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；
（4）同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络
（5）既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；
（6）满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；*方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）；
（7）支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；*PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；
（8）强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；
（9）智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；
（10）提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；
Protel99SE的工作界面是一种标准的Windows界面，如图所示，包括：
标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
图2Prtel99SE软件界面
2.2主程序框图
主程序的设计主要是综合考虑本设计要达到的功能要求，要进行数据、定时器、A/D转换等的初始化，实时采集MQ-3酒精传感器模块输出的数据信息，并采集阀值存储模块的数据，进行的相应的处理，实现1602实时显示被测气体中的酒精浓度和报警阀值，浓度超过阀值会发光报警提示。
主程序流程图如下图3所示：
图3主程序框图
2.3液晶显示程序框图
主程序实现的功能：
与硬件相结合实现酒精浓度检测系统的各个功能。
主要是检测与显示，门限调整与显示，检测数据显示功能子函数的调用。
显示流程图如图4所示。
图4LCD1602程序流程图
第2章总体设计方案
3.1酒精浓度检测仪设计要求分析
设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点：
（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LCD显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。
（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。
（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。
由单片机系统控制键盘和LCD显示来实现人机交互操作，界面友好。
（4）软件设计简单易懂。
3.2酒精浓度检测仪设计方案
设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。
因此，可以直接把传感器输出电压值经单片机A/D转换器转换得到数据进行处理。
此外，还需接入液晶显示，键盘设定，报警电路等。
其总体框图如图5所示，与设定的醉酒阈值进行比较，并显示或报警。
图5基本工作原理图
第3章酒精测试仪硬件设计
4.1传感器的选择
本系统直接测量的是呼气中的酒精浓度，再转换为血液中的酒精含量浓度，故采用气敏传感器。
考虑到周围空气中的气体成分可能影响传感器测量的准确性，所以传感器只能对酒精气体敏感，对其他气体不敏感，故选用MQ3型气敏传感器。
图6MQ3结构和外形
其有很高的灵敏度、良好的选择性、长期的使用寿命和可靠的稳定性。
MQ3型气敏传感器由微型Al2O3，陶瓷管和SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
传感器的标准回路有两部分组成。
其一为加热回路，其二为信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻值的变化。
传感器的表面电阻RS的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出面获得的。
负载电阻RL可调为0．5-200K。
加热电压Uh为5v。
上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。
图7MQ3结构图
MQ-3传感器模块具有的特点：
1.具有信号输出指示
2.双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）
3.模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高
4.对乙醇蒸汽具有良好的选择性和很高的灵敏度
5.具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
6.快速的响应恢复特性
MQ-3的性能参数
1）MQ-3标准工作条件表
表1MQ-3标准工作条件表
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
2）MQ-3灵敏度特性表
表2MQ-3灵敏度特性表
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体电阻
1MΩ～8MΩ
（200ppmalcohol）
适用范围：
10～1000ppmAlcohol
α（200/100）alcohol
α（200/100）alcohol
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
相对湿度：
65%±5%Vh:
5.0V±0.1
预热时间
不少于24小时
MQ-3型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值，在不同温湿度的条件下，变化如图8，因此在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。
图8MQ-3型气敏元件的温湿度特性图
Ro:
20℃，33%RH条件下，200ppm的乙醇蒸汽中元件电阻。
Rs:
不同温度，湿度下，200ppm的乙醇蒸汽中元件电阻。
为了使测量的精度达到最高，误差最小，需要找到合适的温度，一般在测量前需将传感器预热5分钟。
MQ-3乙醇气体传感器可以应用用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测，也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。
主要技术指标：
图9主要技术指标
4.2电压比较电路
4.2.1LM393介绍
LM393主要特点如下：
（1）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：
2～36V，双电源:
±1～±18V；
（2）消耗电流小，Icc=0.8mA；
（3）输入失调电压小，VIO=±2mV；
（4）共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；
（5）输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
（6）输出可以用开路集电极连接“或”门；
采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）。
LM393引脚图及内部框图如下图所示：
图10LM393引脚图
LM393是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则 很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要。
比较器的所有没有用的引脚必须接地.LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关。
通常电源不需要加旁路电容，差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件.保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。
LM393的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或ORing功能。
输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制。
此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用）,输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。
输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。
当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许 输出箝位在零电平。
4.2.2LM393连线图
LM393电压比较图如图11：
图11LM393电压比较图
4.3单片机系统
本设计选用宏晶公司高性能单片机STC12C5A16AD，其管脚如图12所示。
图12STC12C2052AD单片机管脚图
STC12C5A16AD是宏晶科技生产的新一代单片机，包含中央处理器（CPU）、程序存储器（FLASH）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶振振荡等模块，几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块。
STC12C5A16AD单片机相比传统C51功能更加强大，有些特殊功能寄存器被扩展为专用的特殊寄存器。
4.3.1STC12C5A16AD的功能特性
STC12C5A16AD的具体功能特性如下：
（1）高速：
1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍。
（2）宽电压：
3.3～5.5V。
（3）增加外部掉电检测电路，可在掉电时及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEP。
（4）增加第二复位功能脚，（高可靠复位，可调复位门槛电压，频率小于12Hz,无需此功能）。
（5）低功耗设计：
空闲模式（可由任意一个中断唤醒）；掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。
（6）工作频率：
0～35MHz,相当于普通8051:
0～4205MHz。
（7）时钟：
外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置。
（8）8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内FLASH程序存储器，擦写次数10万次以上。
（9）1280字节片内RAM数据存储器。
（10）芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上。
（11）ISP/IAP，在系统可编程/在在应用可编程，无需编程器/仿真器。
（12）8通道，10位高速ADC,高速可达25万次/秒，2位PWM还可当2路D/A使用。
（13）2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP）,也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）。
（14）4个16位定时器，兼容8051的定时器T1/T0，2路PCA实现2个定时器。
（15）可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟，BRT在P1.0输出时钟。
（16）硬件看门口（WDT）。
（17）高速SPI串行通信端口。
（18）全双异步串行口（UART），兼容普通8051串口。
（19）先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令。
（20）通用I/O口（37/40/44个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不超过100mA。
4.3.2STC12C5A16AD的引脚说明
单片机采用40引脚的双列直插封装方式。
40条引脚说明如下：
1）主电源引脚Vss和Vcc
2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
3）控制或与其它电源复用引脚RST，ALE和NA
4）输入/输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7
（1）P0口（P0.0～P0.7）是一个漏极开路型准双向I/O口。
在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
（2）P1口（P1.0～P1.7）是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。
（3）P2口（P2.0～P2.7）是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器时，它送出高8位地址。
在对EFROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。
（4）P3口（P3.0～P3.7）是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器时，它送出高8位地址。
在对EFROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。
4.4LCD1602液晶显示电路
LCD1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
（4）相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
引脚说明：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平
R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。
1602内部显示地址如图14所示：
图141602内部显示地址
本设计的灰度调节是采用10k电阻和1k电阻分压的形式，灰度适中。
液晶显示电路如图15所示：
图15液晶显示电路
4.5键盘电路
本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理
单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：
独立键盘每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。
根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。
独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。
将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。
当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。
按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。
我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。
在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。
这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。
这种抖动一般10~200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机而言则是慢长的。
硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。
所以这里选择了软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10~200毫秒以避开抖动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O口的值，这一次的值如果为1表示低电平的时间不到10~200毫秒，视为干扰信号。
当读出的值是0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。
硬件电路如图16所示：
图16按键电路
4.6报警电路
图3-10声光报警电路
4.6.1灯光提示
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