毕业设计《驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统》

1、2012届毕业设计（论文）论文题目：驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统 系 别： 专 业：班 级： 学生姓名： 学 号： 指导老师： 提交时间： 摘要随着私家车数量日益增多，酒后驾车也随之增加。防止酒后驾车问题迫在眉睫。笔者从方便、即时、安全等角度出发设计出一种车载电控系统。本文设计的是一种车载式的具有酒精度检测和安全控制功能的电控系统，能够检测出驾驶员是否饮酒超标。驾驶员只要将嘴对着传感器吹气，仪器上就能显示出驾驶员血液中酒精浓度的高低，同时根据检测到酒精浓度是否超标进行自主判断，能够控制汽车点火装置电源电路，使饮酒驾驶员无法启动汽车，同时转向灯闪烁、警示灯、喇叭进行报警，引起驾驶员和人们注意

2、，并在四小时之内任何人无法启动汽车，让驾驶员留下深刻印象，下次不再过量饮酒。这样就可从根本上解决酒后驾车问题。而且该系统成本比较低，实现和使用更加简单、可靠，能够更为普遍的控制酒后驾车现象的发生。关键词：酒精传感器、单片机、报警、安全控制目录摘要1一 绪论31.1 课题背景31.2 课题意义31.3 课题任务内容3二 总方案设计及主要元器件的选择42.1 酒精浓度检测仪总设计方案42.2 主要元器件的选择41、传感器的选择42、a/d转换器的选择53、控制器模块的选择54、酒精浓度显示器的选择55、报警器的选择66、点火系统控制装置的选择67、模块的最终方案6三 硬件设计73.1 电源电路73

3、.2 信号采集电路73.3 信号转换电路83.4 at89s51单片机系统93.5 数码管显示电路103.6 报警电路103.7 点火装置电源控制电路113.8 驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统总图12四 软件设计144.1 主程序144.2 信号转换与数据存储子程序154.3 数据处理子程序164.4 数据显示子程序174.5 报警和安全控制子程序18五 系统调试与测试20六 总结23参考文献24致谢25一 绪论1.1 课题背景生命安全问题一直是人类高度关注的问题。对人类生命安全造成威胁的因素有很多，其中，酒后驾车就是一个非常重要的威胁因素。酒后驾车造成交通事故不计其数，带来巨大危害。据统计

4、，全国发生的交通事故中，50%60%是由酒后驾车引发的，酒后驾车发生事故的机率高达27%。随着摄入酒精量的增加，选择反应错误率显著增加，当血液中酒精含量由0.5增至1，发生车祸的可能性便增加5倍，如果增至1.5，可能性再增加6倍。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。酒后驾车问题如何解决，每个国家都在努力寻找办法。目前，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，以确定被测量驾驶员驾驶时血液中酒精含量是否超标。现在市场上警用酒精测试仪种类繁多，随着传感器、单片机等技术的发展，酒精检测仪的功能越来越强、灵敏度越来越高，它能有效协助交警定点抽查驾驶员是否饮酒，但

5、是由于抽查实施面狭窄，因此无法很好的对酒后驾车进行控制。1.2 课题意义为了能防患于未然，将交通事故扼杀在萌芽状态。同时，给交通管理部门减轻工作压力，提供科学的管理手段，本设计提出了一种车载酒精探测及安全控制系统，该系统安装在汽车上，不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车，即确保了司机的安全，又能减少交警等人员的工作量。1.3 课题任务内容1、查阅资料介绍本课题的背景及意义。2、对驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统的主要元器件进行比较选择。3、在主要元器件确定的基础上进行硬件和软件设计。4、通过仿真模拟实现本系统的功能。（1）能根据驾驶员呼出气体检测出驾驶员血液中酒精浓度并用数码管显示。（2

6、）当驾驶员呼出气体的酒精浓度未超标时，继电器触点闭合，汽车可正常启动。（3）当驾驶员呼出气体的酒精浓度超标时，室内声光报警，转向灯闪烁。（4）酒精浓度超标时，继电器触点不结合，点火装置电源电路断开，四小时之内禁止启动。5、对本设计进行总结分析。二 总方案设计及主要元器件的选择2.1 酒精浓度检测仪总设计方案设计时，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过a/d转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接入数码管显示，报警、点火装置电源控制电路等。其总体框图如图2-1所示。气敏传感器a/d转换电路

7、控制器数码管显示报警点火装置驾驶员呼出的气体电源图2-1 基本工作原理图2.2 主要元器件的选择1、传感器的选择方案一：使用燃料电池型酒精传感器。该传感器的工作原理是利用电化学反应原理进行的，就像一个微型的燃料电池，而燃料就是被测气体中的酒精，这个微型的燃料电池仅仅产生极小（一般是微安或纳安级别的电流）。通过使被测气体中的酒精成分发生电化学反应被生成二氧化碳和水，过程中产生电子迁移，电子迁移的过程则形成微弱电流，通过检测电流流过的量而计算出被测气体中酒精成分的多少。方案二：使用半导体型mq-3酒精传感器。该半导体传感器具有气敏特性，当接触的气体中其敏感的气体浓度增加，它对外呈现的电阻值就降低。

8、使用简单的电路即可将电阻的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。再经过一系列的处理与计算得到酒精的浓度。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，抗干扰性好的明显优点。但遗憾的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，目前世界上只有欧美等少数几个国家能够生产。因其材料成本高，不便广泛应用。而半导体型传感器的灵敏度、精度、可靠性也能满足酒精浓度检测和安全控制系统的要求，且半导体型酒精传感器的技术已经相当成熟。所以采用方案二，选用半导体型酒精传感器。2、a/d转换器的选择方案一：采用分级式转换器，这种转换器采用两步或多步进行分辨率的闪烁式转换，进而快速地完

9、成“模拟-数字”信号的转换，同时可以实现较高的分辨率。方案二：采用逐次逼近式转换器，如adc0832，其特点是转换速度快，精度也较高，输出为二进制码，直接i/o口，软件设计方便。adc0832是一种8位分辨率、双通道串行接口a/d转换芯片。由于adc0832转换器采样速度快，功耗低，价格低廉，降低了成本，芯片引脚少，电路结构简单，工作量小，故选择方案二，选用adc0832转换器。3、控制器模块的选择方案一：采用fpga（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。fpga可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以应用eda软件仿真、调试

10、，易于进行功能扩展。fpga采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。方案二：采用atmel公司的at89s51作为系统控制器的cpu方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。fpga集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。at89s51单片机引脚相对较少，结构简单，成本低，所以采用方案二，选择at89s51单片机作为控制器。4、酒精浓度显示器的选择方案一：使用液晶屏显示。

11、液晶显示屏（lcd）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。方案二：使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。数码显示是采用bcd编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。就本设计课程来说，数码管更适宜。5、报警器的选择（1）光报警采用单片机i/o口外接三极管驱动电磁继

12、电器，使转向灯闪烁。同时用三极管驱动发光二极管室内报警警示驾驶员。（2）声报警蜂鸣器报警。采用单片机i/o口外接三极管驱动蜂鸣器，发出报警信号。6、点火系统控制装置的选择在点火开关和初级点火线圈之间的电路上串接一个电磁继电器，并由单片机i/o口外接三极管控制继电器回路的通断，并通过继电器触点的开闭控制点火电路。7、模块的最终方案（1）传感器：半导体型mq-3酒精传感器（2）a/d转换器：adc0832转换器（3）控制器模块：at89s51单片机（4）酒精浓度显示器：数码管（5）报警器：转向灯、发光二极管警示灯 蜂鸣器（6）点火系统控制装置：电磁继电器三 硬件设计本设计是基于at89s51单片机

13、设计的酒精气体浓度探测仪，可用来检测酒精气体浓度。系统包含信号采集电路、a/d转换电路、单片机电路、报警电路、安全控制电路等。驾驶员上车收到系统指令后即可向传感器吹气。由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的负载电阻电压信号成正比例关系，因此可以根据电压信号进行酒精含量的判断。检测的电压信号通过a/d转换电路转换为数字信号，再由at89s51单片机对此信号进行处理判断，最后酒精浓度用数码管显示，同时根据酒精浓度报警装置和安全控制装置作相应工作。若酒精含量没有超标，汽车可正常启动行驶；反之，驾驶员无法启动汽车，同时转向灯闪烁、警示灯、喇叭进行报警，引起驾驶员和人们注意，并在四小时之内任何人无法启动汽

14、车。3.1 电源电路本设计中所选的mq-3酒精传感器和at89s51单片机需要5v直流电压供电，而车载蓄电池提供的是12v的直流电压。所以首先需要将12v电压转换为5v电压，以保证系统正常工作。使用一片mc7805act将车载12v电源转换为5v为系统提供稳压电源。在mc7805act前后两端各并联两个电容，使输出电压稳定可靠。电容c1为滤波电容，电容c2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。电容c3为滤波电容，c4为高频旁路电容。电容二极管d1是保护二极管，保护集成稳压器mc7805act内部调整管b-e结不致因反偏击穿而造成损坏。电路原理图如图3-1所示。图3-1 5v稳压电源3.2 信号

15、采集电路mq-3的加热电阻两端即h引脚接至+5v直流稳压电源，用于电阻丝对敏感体电阻的加热。mq-3的两个a引脚相连，作为敏感体电阻的一个电极。mq-3的两个b引脚也连接在一起，作为敏感体电阻的另一个电极。将电极断a接到电源正极，电极端b接一个05-200k电位器。mq-3型气敏传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生改变时，对应的电位器的分压值也会发生相应的变化，即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。对酒精气体浓度的采样就可以转化为对电位器分压的采样。电路原理图如图3-2所示。图3-2 mq-3 信号采集电3.3 信号转换电路本设计选择ch0进

16、行单通道转换，引脚ch0与信号采集电路信号输出端相连。引脚clk与单片机p1.1接口连接，通过单片机内部中断，使单片机引脚p1.1的电压不断高低变化，产生一个能使adc0832正常工作的时钟脉冲。引脚cs与单片机p1.3接口连接，通过赋予p1.3高低电平让芯片使能，控制adc0832工作与否。引脚di、do与单片机p1.2接口相连，使用di端输入通道功能选择的数据信号，实现通道选择和数据转换，最后单片机再通过引脚do进行数据读取。电路连接图如图3-3所示。图3-3转换电路3.4 at89s51单片机系统单片机最小系统的设计包括电源，晶振和复位电路三个部分。这是使单片机正常工作的必要外围电路部分

17、。对于电源部分，使用的是mc7805act转换的5v稳压电源。单片机的引脚40对应的vcc接到+5v电源的正极，引脚20对应的gnd接到+5v电源的接地端，为at89s51单片机提供正常的工作电压。对于晶振部分，at89s51单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚19对应的xtal1和18对应的xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。放大器通过引脚xtal1和xtal2与外接的晶体以及电容c1、c2构成并联谐振电路，产生出晶体振荡信号，该晶振信号接至内部的时钟电路。本设计选用的晶振频率为12mhz，对于外接电容c1和c2的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小还是会对

18、振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性带来一定的影响。根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为30pf10pf，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pf10pf。因为电路中接的是石英晶体，所以设计中接的两个电容c1和c2的容量都为30pf。对于复位电路部分，当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。51单片机通常采用上电复位和按钮复位两种。本设计采用的是上电复位。上电复位电路，上电瞬间，+5v电源对rc电路充电，在rst引脚出现正脉冲。为了单片机可靠复位，一般让rst引脚保持10us以上高电平，故本设计选c=1ouf，r=8.2千欧。最小系

19、统电路连接原理图如图3-4所示。图3-4 at89s51单片机最小系统电路3.5 数码管显示电路进行信号采集、转换、处理后，计算出酒精浓度。本设计是通过数码管来显示驾驶员血液中的酒精浓度的。数码管显示有静态显示和动态显示两种显示方式，本设计使用动态显示。且选择共阴极数码管。将各位数码管的a dg 端分别连在一起，并于单片机系统的p0口相连，从该i/o口输出显示代码。每只数码管的共阴极端或共阳极端则与另一个接口p2相连。电路连接图如图3-5所示。通过p0口向数码管输送不断高低变化的电频，使数码管内部部分二极管发光，使数码管显示数字，而通过p2口输送电频控制哪个数码管亮。每一时刻，只有一位数码管被

20、点亮显示数据，各位之间，依次轮流被点亮，利用发光二极管的余晖和人眼的驻留效应，并通过适当的调整每位数码管点亮的时间和时间间隔，一个循环下来即可显示一组完整数据。本系统酒精浓度计量单位为ml/100ml, 且根据实际情况只要显示一位整数和小数点后三位。例如，如果示数为1314，则表示酒精浓度为1.314 ml/100ml。图3-5显示电路3.6 报警电路若驾驶员血液中酒精浓度超标，需要一个报警电路来提示驾驶员此时处于饮酒状态不能驾车。同时告知其他人该驾驶员已饮酒，让驾驶员迫于压力不敢驾驶。报警电路主要包含室内声光报警和室外转向灯闪烁报警。当驾驶员呼出气体中酒精含量超标时，单片机i/o口外接三极管

21、q2驱动发光二极管和蜂鸣器，室内声光报警；同时三极管q1驱动电磁继电器k2,使其触点闭合，接通转向灯回路，使转向灯闪烁报警。电路连接图如图3-6所示。图3-6 报警电路3.7 点火装置电源控制电路点火装置电源控制电路主要有三极管、电磁继电器、电阻等。电磁继电器绕组部分与三极管串接形成回路，三极管的通断由单片机i/o口控制。电磁继电器触电串接在点火开关和初级点火线圈之间。当驾驶员血液中酒精含量未超标时，单片机i/o口变为低电平，使三极管导通，电磁继电器回路接通。继电器线圈得电，使触点闭合，点火回路接通，发动机可正常启动。当驾驶员血液中酒精含量超标时，单片机i/o口变为高电平，三极管截止，电磁继电

22、器不工作，点火回路不导通，发动机无法启动，以防止酒后驾驶。电路连接图如图3-7所示。图3-7 安全控制电路3.8 驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统总图当点火开关旋至off位置时，电源电路未接通，无+5v稳压输出给系统供电，酒精浓度检测和安全控制系统不工作。由于系统不工作时，控制点火电源回路的电磁继电器会一直处于断开状态，点火回路一直不能导通，发动机不能启动，即驾驶员在未经过本系统的检测之前是无法启动发动机的。当点火开关旋至st位置时，电源电路接通，电源电路输出+5v电压，分别给酒精浓度传感器、adc0832转换器、at89s51单片机、数码管、报警装置、电磁阀等元器件供电。系统开始工作，首先单

23、片机复位电路得电使单片机复位，随后进行数值初始化，系统进入准备工作状态。待酒精浓度传感器加热5分钟后，单片机p1.0接口获得高电平，绿色发光二极管亮，以提示驾驶员可对着系统传感器吹气，信号采集电路受到酒精的影响，酒精传感器的敏感体电阻阻值发生改变，对应的电位器的分压值也发生相应的变化，然后经过信号转换电路将信号采集电路输出的电压信号转换为数字信号并存储到单片机指定单元中，单片机经过分析处理，计算出驾驶员血液中的酒精浓度并用数码管显示，同时将测得的酒精浓度与标准值比较，若酒精含量没有超标，单片机引脚p1.5、p1.6变为高电平，三极管q1、q2不导通，警示灯不亮，喇叭不报警，转向灯不闪烁；同时单

24、片机引脚p1.7变为低电平，三极管q3导通，控制继电器工作触点闭合，汽车可正常启动行驶。反之，单片机引脚p1.5、p1.6变为低电平，引脚p1.7变为高电平，三极管q1、q2导通，三极管q3截止，警示灯亮，喇叭报警，转向灯闪烁，控制继电器触点未闭合，点火电源电路未导通，汽车无法启动行驶。系统总连接原理图如图3-8所示。图3-8 驾驶室酒精浓度检测及安全控制系统总图四 软件设计考虑到简单、便于修改等因素，本设计采用c语言来编写代码。程序的编写、修改主要在keil uvision3软件平台上，并最终生成.hex文件。软件部分主要包主程序、信号转换与数据存储子程序、数据处理子程序、数据显示子程序、报

25、警及安全控制子程序等。4.1 主程序由于未系统工作时，单片机接口一直是低电平，控制点火电源回路的电磁继电器会一直处于断开状态，点火回路一直不能导通，发动机不能启动，即驾驶员在未经过本系统的检测之前是无法启动发动机的。由于酒精传感器需要加热五分钟之后检测的酒精浓度才会准确，故驾驶员上车5分钟后，绿色二极管发光提示可对系统传感器吹气。当检测到酒精气味时，气体传感器mq-3的两个电极端a-b间电阻将变小，对应与气体传感器负载电阻的分压将变大。adc0832启动对通道ch0端输入的采集电压信号并作模数转换，等转换的结束后，开始读取数据。单片机通过i/o口与模数转换芯片的数据输出口相连读取转换后的数据，

26、读取后的数据送到数据存储器单元中，经过单片机作相应的处理，即要将该电压值转换为酒精浓度值，然后处理后的数据用数码管显示，同时根据酒精浓度报警装置和安全控制装置作相应工作。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序框图4.2 信号转换与数据存储子程序因为adc0832的模拟输入端ch0与负载电阻的一端用导线连在了一起。所以单片机在启动测试模数转换芯片之前要选择通道0，写入模数转换芯片，然后启动对通道ch0端输入的采集电压信号作模数转换，等待转换的结束。把ch0通道输入的0-5v的模拟信号转换为对应的数字量，然后将对应数值存储到内存单元。数据转换与处理子程序流程图如图4-2所示。图4-2 数据采

27、集子程序框图4.3 数据处理子程序adc0832转换后给单片机的数据加以处理计算出的酒精浓度是小数a，需要对数据a作一定处理才能让数码管显示出正确的酒精浓度示数。本设计根据实际情况显示一位整数和小数点后三位。取a的整数部分和小数点后前三位并乘以1000让其变成整数b，在作进一步处理，让整数b的千、百、十、个位分别在数码管上对应显示，即只让数码管显示浓度的整数部分和小数后三位。数据处理子程序流程图如图4-3所示。图4-3 数据处理子程序流程图4.4 数据显示子程序本设计采用的是数码管动态显示方式。每一时刻，只有一位数码管被点亮，各位之间，依次轮流从左至右被点亮。即从左至右依次给四个数码管分别送段

28、码和位码。送完位码和段码后适当后延时一段时间，再加上发光二极管的余晖和人眼的驻留效应，即可使数码管稳定的显示酒精浓度示数。数据显示子程序流程图如图4-4所示。 图4-4 显示子程序流程图4.5 报警和安全控制子程序按照国家标准车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阀值与检验的规定：血液中酒精含量超过20mg/100ml，不到80 mg/100ml，算是酒后驾驶；达到或超过80 mg/100ml，算是醉酒驾驶。由于本设计的计量单位是ml/100ml，根据酒精密度为0.8g/ml，可计算出当血液中酒精含量超过0.025ml/100ml，不到0.1ml/100ml，算是酒后驾驶；达到或超过0.1ml/100

29、ml，算是醉酒驾驶。将测得的酒精浓度与标准值进行比较。若酒精含量没有超标，单片机引脚p1.5、p1.6变为高电平，三极管q1、q2不导通，警示灯不亮，喇叭不报警，转向灯不闪烁；同时单片机引脚p1.7变为低电平，三极管q3导通，控制继电器工作触点闭合，汽车可正常启动行驶；反之，单片机引脚p1.5、p1.6变为低电平，引脚p1.7变为高电平，三极管q1、q2导通，三极管q3截止，警示灯亮，喇叭报警，控制继电器触点未闭合，点火电源电路未导通，汽车无法启动。如图4-5所示。图4-5 报警和安全控制子程序流程图五 系统调试与测试电路连接好，并将调试程序导入at89s51单片机后，接上+5v电源开始调试。

30、先进行每一个模块程序的调试，看看单一的模块程序能不能实现出来，如果不能实现出来，就进行程序和电路图的检查，查出问题所在，从而进行修改。当每一个模块程序的调试能实现出来，在把整个程序导入，进行整体调试。如图5-2为本系统的在proteus软件中的仿真，通过仿真模拟实现本系统的功能。但仿真无法模拟酒精传感器，因此本设计采用滑动变阻器模拟传感器，检测酒精浓度时输出的模拟信号经adc0832转换输入单片机，信号经过单片机处理通过数码管显示酒精浓度，并使报警装置和安全控制装置根据酒精浓度作相对应的工作。图5-1 系统仿真图1、电源电路接通，电源电路输出+5v电压，系统开始工作，首先单片机复位电路得电使单

31、片机复位，随后进行数值初始化，系统进入准备工作状态。待酒精浓度传感器加热5分钟后，单片机p1.0接口获得高电平，绿色发光二极管亮（如图20），以提示驾驶员可对着系统传感器吹气。如图5-2所示。图5-2 吹气指示灯图2、驾驶员向酒精传感器吹气，系统计算出酒精浓度，并与标准值比较。（1）如图5-3所示，酒精浓度为0.018ml/100ml，未超标。系统不报警，电磁继电器触电闭合，点火电源电路接通，汽车可正常启动。图 5-3 酒精浓度未超标仿真结果图（2）如图5-4所示，酒精浓度为 0.364ml/100ml，超过标准值，系统声光报警，转向灯烁，电磁继电器触点不闭合，发动机无法启动，汽车不能行驶。图 5-3酒精浓度超标仿真结果图六 总结随着人们的生活水平的提高，私家车的数量也越来越多，从而引发的交通是事故也急剧增加，带来巨大危害。解决酒后驾车问题迫在眉睫。针对目前的现状，本人提出一种驾驶室酒精浓检测与安全控制系统。在确定题目之后，首先根据实际需要确定系统所要实现的功能。其次根据功能确定系统所需要的元器件。再次将整个系统分为传感器、a/d转换、单片机最小系统、数码管显示、报警、安全控制六部分分别进行研究设计。最后把所有模块进行优化整合，便得到了一个完整的系统。基于这样的思路，完成了便携式酒精浓度检测仪的基本