基于单片机的防酒驾控制系统设计与实现

南京邮电大学通达学院2020届本科生毕业设计（论文）摘要在全世界发生的严重交通事故中酒后驾驶仍然是主要原因之一，并且其事故发生所造成的危害性和严重性居高不低，每年都会有大量事故导致大量伤亡事件。酒后驾驶造成的事故无论对于事故的责任方和受害者的家人都是极大的伤害。在社会的风俗及习惯下国内常发生饮酒应酬的事情，并且会在酒后驾车回家。这些酒后驾车的行为难以人为监督。驾驶员在饮酒的状态下，面临事故发生时的反应能力和处理事故的能力会大大不如未饮酒状况，其对事故发生时的反应时间是正常状态下的几倍，这及其危险。饮酒状态下驾驶员发生事故的严重性也大大超过未饮酒的状态，这导致了大量伤亡事故。尽管酒后驾驶是违法的，并且世界各国制定了严格的法律条文来惩治酒后驾驶，但是仍然有人会有这种危险的习惯。并且，如今的检测方式大都为拦路检测，这些检测都是在事后，如果未检测到仍会有大量危险的酒驾行为发生，这带来了大量的道路危险隐患。为了应对驾驶员酒后驾驶的危险行为，研制一款成本低，效益高，检测便捷的预防酒驾系统必不可少。当驾驶员遇到酒后驾驶的情况时能阻止驾驶员进行危险的酒后驾驶活动，以保障驾驶员和无辜群众的安全的预防酒驾系统应运而生。本文主要研究了以低成本，便捷性，易操作性为前提的基于单片机的预防酒驾系统的设计。本次设计通过在驾驶员驾车前先行检测驾驶员呼出气体的酒精浓度来判断驾驶员是否酒后驾车，再依据检测结果来决定车辆是否能启动，同时会有灯光和语音警提示驾驶员。关键词：单片机；酒精检测；语音报警ABSTRACTDrinkinganddrivingisstilloneofthemainreasonsintheserioustrafficaccidentshappeningallovertheworld,andtheharmfulnessandseriousnessoftheaccidentsarehigh,andtherearealotofaccidentseveryyearleadingtoalotofcasualties.Accidentscausedbydrunkdrivingareextremelyharmfultoboththepartyresponsiblefortheaccidentandthevictim’sfamily.Underthecustomsandhabitsofthesociety,drinkingandentertainmentoftenoccurinthecountry,andwilldrivehomeafterdrinking.Thesedrunkdrivingbehaviorsaredifficulttosupervise.Underthestateofdrinking,thedriver'sabilitytorespondtoanaccidentandtheabilitytodealwiththeaccidentwillbegreatlyinferiortothesituationofnotdrinking.Itsreactiontimetotheaccidentisseveraltimesthatofthenormalstate,whichisextremelydangerous.Theseverityofthedriver’saccidentinthestateofdrinkingisalsomuchhigherthanthatinthestateofnotdrinking,whichhasresultedinalargenumberofcasualties.Althoughdrunkdrivingisillegal,andcountriesaroundtheworldhaveestablishedstrictlegalprovisionstopunishdrunkdriving,somepeoplestillhavethisdangeroushabit.Moreover,mostoftoday'sdetectionmethodsareroadblockdetection.Thesedetectionsareafterwards.Ifundetected,therewillstillbealotofdangerousdrunkdrivingbehaviors,whichbringsalotofhiddendangerstoroads.Inordertocopewiththedangerousbehaviorofdriverswhodrinkanddrive,itisessentialtodevelopalow-cost,high-efficiency,convenientdetectionandpreventiondrunkdrivingsystem.Whenthedriverencountersthesituationofdrunkdriving,hecanpreventthedriverfromcarryingoutdangerousdrunkdrivingactivitiestopreventthedriverandinnocentpeoplefromsafety.Thedrunkdrivingpreventionsystemcameintobeing.Thispapermainlystudiesthedesignofadrunkdrivingpreventionsystembasedonsinglechipbasedonthepremiseoflowcost,convenienceandoperability.Thisdesigndetermineswhetherthedriverisdrunkdrivingbydetectingthealcoholconcentrationofthedriver'sexhaledgasbeforedriving,andthendetermineswhetherthevehiclecanbestartedaccordingtothedetectionresult,andtherearelightsandvoicewarningtopromptthedriver.Keywords:MCU；alcoholdetection；voicealarm目录TOC\h\z\t"论文1,1,论文2,2,论文3,3"第一章绪论 [18]。根据防酒驾控制系统的设计要求和具体实现的功能，本次设计的主要流程图如下图4.1所示：图4.1主流程图4.2酒精模块子程序酒精传感模块由MQ-3酒精传感器和PCF8591的转换芯片组成。由于采用了MQ-3酒精的集成模块，该模块会自行将采集到的酒精浓度值转换成高/低电平信号传输出来，所以该模块的主要程序是PCF8591芯片的数据转换程序。PCF8591芯片的A/D转换过程采用逐次通近转换的技术。数据会利用PCF8591芯片上的D/A转换器和高增益比较器来完成转换。每当PCF8591芯片获得一个有效的可读取的地址转换周期就会开始。在接收到应答脉冲的后延后，周期循环开始。循环会在获得转换完成的数据前再次开始循环。当时钟脉冲后延被触发后即转换周期开始，所选通道输入芯片的电压信号会先保存在芯片内部，然后转换成8位的二进制码数字信号，差分输入的采样信号会被转换成二进制的补码。转换完成后的数字信号首先会暂存在芯片的寄存器里。当为0的自动增量转换为1时会顺延到下一个通道。再读取每个周期数据传送的第一个字节和上个周期转换完成后的数据。在上电复位后读取的第一个字节是0x80。DC总线的传输速度决定了A/D转换速率的峰值。由PCF8591的转换芯片的用户协议可知，其首先需要定义IIC总线开始条件，停止条件和应答条件等，然后确定一个可靠的硬件地址，拥有了传输邮件地址后在时钟的脉冲的后沿开始接收来自MQ-3酒精的集成模块传来的高/低电平信号并且将其转换成数字信号，然后写入PCF8591的转换芯片储存器，最后传输到单片机。其程序框图4.2如下所示：图4.2酒精模块子程序4.3显示模块子程序单片机显示模块中显示器的选择有很多，在本次设计中采用LED数码管作为显示模块的硬件。数码管由于采用了动态显示的方法，所以4位的各个相同段并联到相同的I/O口，每当数据传输到LED数码管是，LED数码管的4位会依次点亮，由于点亮频率较快所以会形成短暂的视觉停留，这样视觉感官就会感到LED数码管常亮。单片机从8个链接段端口的I/O口发送段选码，LED数码管根据发送来的段选码点亮第一位，然后根据第二段段选码点亮第二位，依次点亮，然后回到第一位开始循环点亮。LED数码管的程序流程图如图4.3所示：开始接收段选码点亮第一位接收段选码点亮第一位开始接收段选码点亮第一位接收段选码点亮第一位接收段选码点亮第一位接收段选码点亮第一位接收段选码点亮第一位接收段选码点亮第一位图4.3显示模块程序图4.4本章小结本章是对酒精检测预防酒驾系统的详述，介绍了系统主程序设计总体方案，和程序运行过程，详述了系统主程序设计以及运行主要方案，展示了主程序的运行主要流程图，这能更加清晰得理解主程序的运作方式，同时也介绍了显示模块和酒精检测模块的程序的设计阐明了各个模块的运行方式和运行原理，展现了各个模块的流程图这更加直观的解释了程序的运行流程。第五章系统测试5.1硬件功能测试本次设计的硬件部分将分为五个模块，会对每一个模块进行一次的检测，会对每一个模块进行加电处理，然后用万用表测量功能引脚的电平，通过观察加电过后每一个模块的运行是否出现异常来检查判断模块是否正常运行。同时还要用万用表的蜂鸣器档检查每一根连接的导线以及焊在PCB板上的焊锡是否导通。在接线时要按照仿真实验的电路图，避免出现错接、漏接、短路、断路等问题。在检查无误后系统上电进行测试，要认真观察电路的整体运行情况，注意是否有异常出现。当有器件过热，冒烟，电机运行异常等情况出现时，要立即断电，检查异常，在解决完问题后再次进行测试，及时记录调试时出现的问题，认真总结，避免发生同样地错误。5.1.1单片机最小系统单片机最下系统是最常用的检测单片机这是否正常的系统，系统主要由单片机主体外加提供外部时钟的晶振电路和复位电路共同组成的系统。在调试改系统时，首先上电来检测单片机的电压是否正常，利用万用表检测各个管脚和电源管脚之间电压是否为提供的电源电压。检测正常后接着检测复位引脚的电压是否为电源电压。检测时是否完成，先按下复位按钮，检测电压值是否正常，利用示波器来检测晶振引脚的波形是否稳定，如果不稳定则可以在单片机电源脚和接地脚之间连接一个用来滤波的电容，再观察波形。5.1.2LED数码管显示模块按电路图接好显示模块电路，上电，接好调试完成的单片机最小系统模块，将调试数码管的程序烧录到单片机中，让数码管依次显示阿拉伯数字0到9，用单片机自带定时器0来控制时间，设定为每隔2秒钟数字跳动依次，观察数码管显示是否正常。若在调试过程中出现上述正常状况，则数码管显示模块是正常的。若出现异常，及时检查电路或者更换数码管。5.1.3MQ3酒精检测模块首先先检测MQ3酒精检测传感器是否正常运作，将电路按照电路图连接好以后，将酒精模块靠近酒精，由于其为集成模块，模块上有自带的LED灯，通电后为红灯亮起，当将其靠近酒精后其检测到酒精存在会亮起绿灯，如正常亮起则模块正常。然后将整体模块连接到单片机最小系统上，再连接上已经测试好的LED显示屏，首先LED显示屏会显示MQ3酒精传感器预热时间，预热完成后，将传感器靠近酒精，低于预设值时，LED显示屏无反应，高于预设值后显示当前酒精浓度，并实时变化。5.1.4按键自锁开关模块可以用万用表的蜂鸣器档对按键和自锁开关进行调试。将红黑表笔分别连接按键的相对的两个管脚。当没有按下时，按键不导通，蜂鸣器不报警。当按下时，按键导通，蜂鸣器报警。将红黑表笔分别接到自锁开关的一组常开触点，当开关按下后，开关会导通然后蜂鸣器会发出报警声；当开关未被按下，其不会导通，蜂鸣器不会发出报警声。若在调试过程中出现上述正常状况，则按键、自锁开关是正常的。若出现异常，及时检查连接的电路或者更换元器件。5.1.5语音模块检测语音模块由JQ8400语音模块和喇叭组成，首先先按照电路连接好，由于JQ8400语音模块自带语音合成播报的功能。将测试语音模块的程序烧录到单片机中，让单片机持续对语音模块低电平和高电平信号，通过定时器控制，每6秒高低电平互换一次，测试其在高低电平下播报功能是否有误，如果有误，及时检查电路连接是否有误，喇叭是否连接完好。5.2软件功能测试图5.1实物图本次设计通过KeiluVision4编译软件，运用C语言进行程序的编写。其中中断服务程序、按键程序、数码管显示程序以及电机控制程序等，都是利用Keil进行编译，才能实现其功能。首先编译一下整个程序，检查是否有语法错误。然后烧录到单片机中，逐测试试各个程序模块。实物测试图如图5.1所示。接通电源后装置开关默认在启动状况，LED显示屏亮起，程序进入准备阶段，由于MQ3酒精传感器的热敏原理，其需要预热后才能达到其最佳的检测状态，故设定了40秒的预热时间，LED显示屏亮起开始显示预热计时，等待MQ3酒精传感器预热完成。如图5.2所示：图5.2MQ3酒精传感器预热阶段图5.3检测通过可行驶状态预热完成后，LED显示屏亮起4段横杠表示设备进入检测阶段MQ3酒精传感器开始检测，并将数据传到单片机，继电器指示灯亮起，表示酒精浓度处于设定值之下未达到醉酒驾驶的情况，汽车可以正常驱动，并有语音播报。如图5.3所示。当把MQ3酒精传感器靠近酒精后，酒精浓度超过预设值LED显示屏亮起当前的酒精浓度的值语音开始持续播报酒精超标的提示继电器停止运行，汽车无法启动。当MQ3酒精传感器远离酒精后，酒精浓度逐渐下降，当下降到预设值后LED显示屏显示为最初的4条横杠，继电器灯亮，表示可以启动汽车。如图5.4所示：图5.4酒精浓度超标5.3实验结果分析5.3.1实验功能说明本次设计的基于单片机的预防酒驾系统实现了整个酒精检测的全过程，，本次设计首先能够检测酒精的数值，在酒精测试开始后会有一段40秒的预热时间，这是因为MQ3酒精传感器是热敏感应器，它需要预热后才能达到比较准确的检测值。预热结束后就进入了检测环节，当酒精传感器检测到酒精浓度超标后会将酒精浓度实时显示在LED显示屏上，会有酒精超标的语音报警，当酒精浓度低于预设值时继电器会打开，车辆可以驾驶。5.3.2实验结果经过对各个部件仔细检查测试无误后，将设计的各个模块组合起来做出设计的成品然后进行了调试，调试完成，设计可正常运行后对改设计的功能的测试，经过测试后设计满足的设定的要求，能够正常运行。5.4本章小结本章对整个系统测试过程进行了分析，测试过程是分别对硬件和软件部分进行测试，经过测试我们能够及时的发现问题，并对测试过程中出现的问题、错误进行记录，认真对比实际测试结果和理论上的结果，分析异常或错误发生的原因，期间曾经遇到过各式各样的问题，但进过仔细的研究和查询资料，及时的修改程序或者调整电路的连线，保证最后系统功能的正确运行。

结束语

致谢四年的大学生活即将结束，在这最后一个学期中，我完成了自己的本科毕业设计论文。在这个过程中我得到了许多帮助，无论是老师还是同学，他们都给我了非常多的中肯建议，在这里我想要由衷的感谢大家。首先我要感谢我的毕业设计指导老师——朱松豪老师，每当我遇到问题，思路不清晰时，朱老师总是耐心的指导我，仔细的指出我的问题所在，帮我理清设计思路，给我提出了许多重要的建议。在整个毕业设计期间，朱老师悉心指导我，给了我非常多的帮助。朱老师学术态度严谨，谦虚待人是我学习的榜样。在此我表示诚挚的谢意和由衷的敬意。然后我也要感谢我的同学，在同学们的交流和帮助下我才能够提出许多新的设计方案，拓宽了设计思路。在同学的帮助下，我不断改进设计方案，最终找到了一个最优设计，并按此设计方案完成了毕业设计。在这个过程中我体会到了团队协作的重要性，在交流中发生不同思想的碰撞才能产生更合理的方案。还要感谢本论文采用的各位学者的专著，他们给我提供了大量参考和启示，让我完成论文的过程更加顺利。最后我要感谢从开题答辩到毕业设计成果验收，再到最后论文答辩过程中，学院的各位老师向我提出的修改建议，让我能够更有质量的完成毕业设计，这些宝贵的意见让我受益良多。此次毕业设计基本完成，但是由于我自身知识的局限性以及设计时间的仓促，本篇论文难免会有一些缺点，欢迎各位老师和同学提出宝贵建议。大学四年的学习生涯即将结束，我将会离开校园，开始人生的下一个阶段。我衷心的感谢父母，为我提供了良好的生活环境；感谢学院的老师和领导，为我提供优秀的学习生活环境。十分感谢大家！参考文献[1]王克辉。全国开展酒驾醉驾夜查统一行动查处酒驾醉驾1.3万起[N]。人民公安报2019-07-2(8)。[2]陈贺。中国交通事故死亡状况及酒驾处罚对交通事故死亡率的影响[D]。北京：中国疾病预防控制中心，2017。[3]JamesM,Drinkinganddriving[J],CAMJ,2003,168(3):313.[4]黄晖。后驾车检测技术的现状与发展[J]。中国科技信息，2013，12(1)：174+185。[5]陈丽。基于PIC单片机的酒后驾驶智能闭锁系统设计[D]。西北：西北农林科技大学，2009。[6]岳睿。警用呼气式酒精传感器的研究进展[J]。化学传感器,2006，26(3)：6-9。[7]潘祖军，朱文胜，岳睿。汽车用酒精传感器的分析[J]。北京汽车,2007(01):39-41。[8]王云。51单片机C语言程序设计教程[M]。北京：人民邮电出版社，2018。[9]吴险峰。51单片机项目教程(C语言版)[M]。北京：人民邮电出版社，2016。[10]陈贺。中国交通事故死亡状况及酒驾处罚对交通事故死亡率的影响[D]。北京：中国疾病预防控制中心，2017。[11]俞阿龙。传感器原理及其应用[M]。南京：南京大学出版社，2010。[12]朱瑞祥，云超。基于单片机的防酒后驾驶控制系统设计[J]。传感与微系统,2009，28(02)：94-96。[13]杨晓鹏，司开波。防酒驾控制器系统设计[J]。电脑知识与技术，2014，10(03):655-657。[14]金韦利，张赟宁，姜礼华。基于单片机的防酒驾控制系统设计[J]。传感器与微系统，38，3(10)：96-97+101。[15]梁集贤,杨青,荆莹。驾驶员血液中酒精浓度(BAC)与交通事故相关性研究[J]。现代交通技术,2007，4(5)：63-65。[16]陈丽。基于PIC单片机的酒后驾驶智能闭锁系统设计[D]。西北：西北农林科技大学，2009。[17]王云。51单片机C语言程序设计教程[M]。北京：人民邮电出版社，2018。[18]VarshaeSurssh,SujitChakrabartiandRaoulJetley,AutomatedTestCaseGenerationfor

Programmable

Logic

Controller

Code[C],Proceedings

of

the

12th

Ioneviticnson

SoftwaeEngineering

Conference

2019:1-4.[19]R.Ramani,S.Valarmathy,Dr.N.SuthanthiraVanitha,S.Selvaraju,M.Thiruppathi,R.Thangam,VehicleTrackingandLockingSystemBasedonGSMandGPS[J],I.J.IntelligentSystemsandApplications,2013,09(1):86-93.[20]RajeshKumarJakkar,RoopPahuja,RajKumarSaini,BhagirathSahu,Natwar,Drunk-DriverDetectionandAlertSystem(DDDAS)forSmartVehicles,AmericanJournalofTrafficandTransportationEngineering[J].2017,2(4):45-58.附录#include<reg52.h>#include<math.h>#include"PCF8591.h"#include"DpyX4.h"#include"Timer0.h"#include"uart1.h"sbitRelay_Pin=P2^0;voiddelay1s(void)//一秒延迟函数{unsignedchara,b,c;for(c=95;c>0;c--)for(b=26;b>0;b--)for(a=185;a>0;a--);}unsignedcharNum_Data=0;floatMQ3_Value;unsignedintMQ3_Value_View;voidJQ8400_Uart_SendByte(unsignedcharUart_Sent_Data){ Uart1_SendOneByte(Uart_Sent_Data);}voidSend_YuYin(unsignedintData){ unsignedcharSM_Data=0;//校验和数据 JQ8400_Uart_SendByte(0xAA); JQ8400_Uart_SendByte(0x07); JQ8400_Uart_SendByte(0x02); JQ8400_Uart_SendByte(Data/256);//曲目标号低位 JQ8400_Uart_SendByte(Data%256);//曲目编号高位 SM_Data=0XB3+Data/256+Data%256; JQ8400_Uart_SendByte(SM_Data);}voidmain(){ LED_View_Data[0]=23; LED_View_Data[1]=23; LED_View_Data[2]=23; LED_View_Data[3]=23; Timer0_Init();//初始化定时器0 for(Num_Data=0;Num_Data<40;Num_Data++) { LED_View_Data[2]=Num_Data/10; LED_View_Data[3]=Num_Data%10; delay1s(); PCF8591_ReadADC(0);//延迟的时候也进行采集 } Uart1_Init();//初始化串口 MQ3_Value_View=PCF8591_ReadADC(0); MQ3_Value_View=MQ3_Value_View*12.5; if(MQ3_Value_View<=300) Send_YuYin(2); while(1) { MQ3_Value_View=PCF8591_ReadADC(0); MQ3_Value_View=MQ3_Value_View*12.5; if(MQ3_Value_View<=300) { LED_View_Data[0]=22; LED_View_Data[1]=22; LED_View_Data[2]=22; LED_View_Data[3]=22; Relay_Pin=1; } else { LED_View_Data[0]=MQ3_Value_View/1000; LED_View_Data[1]=MQ3_Value_View%1000/100; LED_View_Data[2]=MQ3_Value_View%100/10; LED_View_Data[3]=MQ3_Value_View%10; Send_YuYin(1); Relay_Pin=0; } delay1s(); delay1s(); }}/*功能描述:定时器0中断函数函数参数:无返回说明:无*/voidTimer0_Interrupt(void)interrupt1 // 定时器0中断函数{ TH0=0xFC; //重置定时时间，如果初始化使用的是定时方式2则不需要重置 TL0=0x18;LED_View();}/*功能描述:定时器0中断函数函数参数:无返回说明:无*/voidTimer0_Interrupt(void)interrupt1 // 定时器0中断函数{ TH0=0xFC; //重置定时时间，如果初始化使用的是定时方式2则不需要重置 TL0=0x18;LED_View();}#include"PCF8591.h"voidPCF8591_Delay(){ _nop_();}/*启动IIC总线*/voidPCF8591_Start(void){ PCF8591_SDA=1;PCF8591_Delay();PCF8591_SCL=1;PCF8591_Delay();PCF8591_SDA=0;PCF8591_Delay();PCF8591_SCL=0;}/*停止IIC总线*/voidPCF8591_Stop(void){ PCF8591_SCL=0; PCF8591_Delay(); PCF8591_SDA=0;PCF8591_Delay();PCF8591_SCL=1;PCF8591_Delay();PCF8591_SDA=1;}/*应答IIC总线*/voidPCF8591_Ack(void){ PCF8591_SDA=0; PCF8591_Delay(); PCF8591_SCL=1; PCF8591_Delay(); PCF8591_SCL=0; PCF8591_Delay();}/*非应答IIC总线*/voidPCF8591_NoAck(void){ PCF8591_SDA=1; PCF8591_Delay(); PCF8591_SCL=1; PCF8591_Delay(); PCF8591_SCL=0; PCF8591_Delay();}/*发送一个字节*/voidPCF8591_Send(unsignedcharData){ unsignedcharBitCounter=8; unsignedchartemp; do { temp=Data; PCF8591_SCL=0; PCF8591_Delay(); if((temp&0x80)==0x80) PCF8591_SDA=1; else PCF8591_SDA=0; PCF8591_SCL=1; temp=Data<<1; Data=temp; BitCounter--; } while(BitCounter); PCF8591_SCL=0;}/*读入一个字节并返回*/unsignedcharPCF8591_Read(void){ unsignedchartemp=0; unsignedchartemp1=0; unsignedcharBitCounter=8; PCF8591_SDA=1; do { PCF8591_SCL=0;PCF8591_Delay(); PCF8591_SCL=1; PCF8591_Delay(); if(PCF8591_SDA) temp=temp|0x01; else temp=temp&0xfe; if(BitCounter-1) { temp1=temp<<1; temp=temp1; } BitCounter--; } while(BitCounter); return(temp);}/*写入DA数模转换值*/voidPCF8591_DACOut(unsignedcharData){ PCF8591_Start(); PCF8591_Send(PCF8591_AddWr);//写入芯片地址 PCF8591_Ack(); PCF8591_Send(0x40);//写入控制位，使能PCF8591_DACOut输出 PCF8591_Ack(); PCF8591_Send(Data);//写数据 PCF8591_Ack(); PCF8591_Stop(); }/*读取AD模数转换的值，有返回值*/unsignedcharPCF8591_ReadADC(unsignedcharChannel){ unsignedcharData; PCF8591_Start();//写入芯片地址 PCF8591_Send(PCF8591_AddWr); PCF8591_Ack(); PCF8591_Send(0x40|Channel);//写入选择的通道，本程序只用单端输入，差分部分需要自行添加 //Chl的值分别为0、1、2、3，分别代表1-4通道 //PCF8591_Send(Channel); PCF8591_Ack(); PCF8591_Start(); PCF8591_Send(PCF8591_AddRd);//读入地址 PCF8591_Ack(); Data=PCF8591_Read();//读数据 PCF8591_SCL=0; PCF8591_NoAck(); PCF8591_Stop(); returnData;//返回值}#include"DpyX4.h"codeunsignedcharLED_Data[]={0xA0,//"0"0xBB,//"1"0x62,//"2"0x2A,//"3"0x39,//"4"0x2C,//"5"0x24,//"6"0xBA,//"7"0x20,//"8"0x28,//"9"0x30,//"A"100x25,//"B"110xE4,//"C"120x23,//"D"13