《多功能酒驾监测系统的设计》8000字（论文）

第1章引言1.1课题研究背景及意义近年来，随着经济的发展和人民的物质水平的提高，个人的私家车越来越多，酒后驾车所造成的事故也越来越多。现行《道路交通安全法》中，对醉酒驾车构成严重交通事故，要对其进行刑事处罚，并被交警部门吊销机动车驾驶证，终生不得重新取得机动车驾驶证。醉驾是一种违法行为，它不仅给他人造成了伤害，同时还对道路安全带来严重威胁。因此为了防止醉酒驾车事故发生，需要加强醉驾人的教育培训工作，提高其安全意识，并且通过科学有效的方法进行控制管理，以保障广大人民群众生命财产安全。由于越来越多的人开始重视酒后驾车，所以关于酒后驾车的研究也越来越受到重视。醉酒驾驶引起的交通事故是一种常见的车祸，主要是因为驾驶员过度的饮酒会导致体内的乙醇含量升高，从而导致神经系统麻痹，使得身体无法自主，致使大脑的反应和四肢失去知觉。本文所研制的大气乙醇含量监控系统采用了气体传感器和微处理器，对空气里的酒精含量进行监控，并配有液晶显示器。这就要求研制一种可以监控司机身体中的酒精浓度的智能化仪表。本文所研制的一台以气体敏感元件、微处理器为核心，对室内空气中的乙醇含量进行实时监控，同时具备声音警报、液晶显示器等多种功能。它可以检测周围的空气和呼出的酒精含量，并设置相应的阀门，通过声音警报在一定程度上提醒危险。本课题的研究主要是设计一套能有效监测车辆内部空气密度、气味以及温度变化的智能报警装置，特别适合于高速公路道路运输管理部门使用。因此实现了下列目标：(1)为保障公众出行提供便利；(2)增强民众的法制观念；(3)使其使用方便安全，准确高效，便于推广家用乙醇检测。1.2国内外研究现状目前，全球应用最广泛的是电化学特性检测器。酒精检测器按其表现形式可分为两类：一类是用荧光管进行检测。LED发光管最常用的是三个部分，即：第一个区域是未饮酒区域，其次是饮酒区，酗酒区是最后一个区域。并且每一段都有一个不同颜色的LCD1602灯，根据测试的结果，来点亮对应那一段的LCD1602指示灯。另外一种酒精测试机是以LCD显式，将测试的数据以数值的方式进行展示。最近两年，一种新的半导体酒精检测器诞生了，这种仪器具有高可靠性、高精度、可呼吸等优点。其关键部分是高技术的微型变氧化硅，能够精确地测量出气体中的酒精浓度，并且不会受到烟味、可乐、咖啡等非乙醇气体的影响。ca2000因其体积小、重量轻、易于使用而成为便携式的首选。如果驾驶员是喝酒状态下开车的，他的呼吸中肯定会释放出乙醇，因此，交警会大量地采用手提式的乙醇检测器。现在的酒精检测器，只是对司机有没有酒后驾车的初步判定，最终还是要靠验血来判定司机有没有酒后驾车。英国内务部已经引进了一种新型的酒精呼吸器，以便于测试。该仪器不但能通过驾驶员身体中的酒精浓度来判定驾驶员的酒后驾车行为，还能通过体温、呼吸频率等诸多方面的信息来判定驾驶员是否酒后驾车。随着20世纪科技的迅速发展，传感器技术得到了迅速的发展，它的使用领域也在不断扩大。所以，乙醇含量检测仪器必须朝着高准确率、高可靠、高稳定、小型化发展。随着我国加入WTO,国内市场对酒精含量检测仪需求迅速增长。目前国内有许多厂家生产和销售了大量的乙醇含量检测仪，并在一些地区进行试点推广工作。迄今为止，对乙醇气体进行测量的仪器有五大类，即：电化学、气体色谱、比色法、半导体法和红外法。在这些型号中，燃料电池和半导体式的乙醇检测器都比较廉价，也比较容易操作。因此，这两种检测方法被广泛应用。对环境友好的能量燃料电池能够将易燃的气体转化成电力，而且没有任何的环境污染，因此受到了全球范围内的普遍重视。乙醇感应器仅仅是一个小型的燃料电池的小部件。于是，就有了这种燃料电池式的乙醇感应器，其基本思想是：以贵金为电极，在燃烧室里点燃乙醇，同时采用特殊的催化剂，将乙醇完全点燃。转化为电力，即在两个电极上形成一个电压，这个电压直接与燃烧室中的燃气的酒精含量呈比例关系，而在外面则利用进入负荷来消耗电力。与半导体式乙醇含量检测器比较，燃烧型乙醇检测仪特点是：1)良好的稳定性能2)高准确率3)具有较高的抗干扰性的优势不过，这种乙醇传感器也有一个很大的缺陷，那就是它对传感器的结构和制作都有很高的要求。因此，现在只有美国、英国、德国等几个发达国家，才有可能生产出这种乙醇传感器，而且成本也很高，比普通的乙醇传感器要高出好几个档次。因此人们最常用的仍然是半导体式的乙醇感应器。目前，在美国已经有了专门生产这种传感器的公司。在日本，它的生产量还占世界总产量的1/3左右。在我国，也正在研究开发这种新型乙醇传感器。1.3课题研究思路随着MCU技术的迅速发展和不断的成熟，MCU是一种日益普及的技术，并被广泛地运用到了各行各业。与其它技术比较，无论是从智能监控还是监控上，都有很大的优势。本文采用STM32单片机及乙醇含量传感器，实现了对空气内酒精含量的实时监控，LCD1602系统中显示检测结果。最后对超出该范围的气体进行声光警报。它能探测到人的呼吸和周围的空气中的酒精含量，当浓度超过我们所设的临界点时，就会发出声音和灯光，并可以根据需要和周围的情况来调整设置。并且可以用按键来进行更改，十分的简单和快速。该系统采用MQ-3型乙醇传感器进行数据采集，将采集到的信息转化为电子信号，并将其传输至STM32微控制器，STM32芯片内置了A/D变换器，将其转化为数字信息，由STM32芯片进行分析和处理，最终将其转化为乙醇的含量，并将其转化为酒精的浓度数值。该软件在编程时设定了一个阀，用于在被测气体中的酒精含量超过该阈值时，通过单片时机和喇叭的声音来达到声光的警报。本实用新型利用单片机技术对酒精成分进行检测，实现自动监控；同时也可以作为远程智能控制设备使用，从而降低劳动强度，并且还具有良好的扩展性以及智能化功能。总之，本文的研究思路是：利用空气中的乙醇含量作为感知量，通过传感器对其进行检测，并通过A/D变换将其转化为数值，从而实现对空气中乙醇含量的检测。当浓度超过阈值时，会发出声音和灯光警报。通过实验验证其具有很高的准确性，能满足实际应用需求。第2章系统方案设计2.1技术指标中国大陆地区血液中酒精浓度（BAC）与呼气酒精浓度（BrAC）的比值采用2200，即两种单位之间的换算关系为BAC=BrAC*2200。判断是否酒驾以及醉驾的标准如表2-1所示：表2-1是否构成酒驾或醉驾参考标准行为类别血液酒精含量（BAC）呼气酒精含量（BrAC）饮酒驾车0.2g/L-0.8g/L0.0909mg/L-0.3636mg/L醉酒驾车>0.8g/L>0.3636mg/L报警浓度0.5g/L0.24mg/L根据酒精气体浓度检测仪的测量结果，来看结果是落在哪个区域，从而判断驾驶员是否酒驾。同时判断是否报警。2.2总体设计方案总体设计方案如图2-1所示，由MQ-3酒精气体传感器负责采集数据，采集的信号通过调理电路处理后，再输入给单片机，单片机内嵌的A/D转换模块对其进行转换，转换后变成数字信号，然后单片机再对数字信号进行分析处理转换成酒精浓度值，再通过显示屏将浓度值显示出来。同时将酒精浓度值与阀值进行比较，对于超过阀值的进行声光报警。单片机信号调理模块酒精气体传感器声光报警模块单片机信号调理模块酒精气体传感器声光报警模块液晶显示模块液晶显示模块图2-1总体设计方案框架图第3章硬件电路设计3.1元器件选择3.1.1酒精气体传感器1)MQ-3传感器工作原理在MQ-3型酒精气体传感元件中，二氧化锡是一种新型的气体灵敏元件。其导电性与乙醇浓度有关，且随乙醇浓度的增大而增大。当酒精的含量越高，其输出的电压也就越高。利用一个简单的外部线路，可以根据电压值的改变而显示电导的改变，这个电压值与乙醇的浓度值相应，并与预定的阀门数值进行对比，若高于这个数值，则发出警报。由于该传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，因而在各种工业领域得到广泛应用，特别是对一些需要高精度测量和控制的场合。MQ-3A酒精传感器是一款可连续工作20小时以上且无需任何电源即可使用的产品。2)传感器的管脚分布及外形MQ-3型乙醇气体传感器包括：(1)二氧化硅灵敏层(2)AL2O3微型陶瓷管件(3)加热装置(4)构成敏感原件的测量电极因为感应器需要在工作之前进行预热，因此其内置了一个加热器，用于对感应器进行加热。密封的MQ-3型酒精气体感应器有6根引脚，4个探头可以读出讯号，还有2个引脚可以为感应器供电。MQ-3的插针配置见图3-1，其中A和B分别用于读出；通过两根具有30欧姆阻值的f管来供应加热的电流，使其在通过时发热。MQ-3管脚的配置见表3-2。图3-1MQ-3的引脚图3-2MQ-3传感器实物图3)MQ-3型气敏元件特性研究(1)高敏感度(2)迅速反应的复原特征(3)长期的使用(4)安全、稳定(5)传动线路简化(6)能够抵御其它气体的扰动(7)带有一个输出的表示在传感器中，空气敏感电阻器的阻抗是由乙醇的浓度决定的。Rs是MQ-3酒精传感器的输出阻值，其值随着气体和浓度的不同而发生改变；R0为清洁的空气中MQ-3型乙醇气体传感器的电阻。由该表可知，Rs/R0与乙醇的含量呈一定的相关，Vs/V0与Rs、V0与R0均呈一定比例，因此Vs/V0=Rs/R0，Vs/V0与乙醇的含量是相同的。3.1.2STM32单片机介绍MCU最少的控制必须能够保证MCU的运行和运行功能的发挥。这是一台小型计算机设备拥有的明显大脑，控制核心。同时，该系统还具有一定的输出装置和定时装置，可以充当时间的控制中心和接口，将全部功能集成到一个小型的芯片上，即MCU。当然，目前MCU的发展也很成熟，让我们来了解一下它的工作原理。在图3-3中可以看到。图3-3单片机最小系统框单片微型计算机也称为单片微型计算机。经常被用来进行控制。这是一个非常重要的环节。在我们的工作中，经常使用它来进行管理。单片微型处理器采用了一个内建的单个晶片。其主要部件为CPU、IO口、记忆体。我们只使用对应的编码机烧写程序来对外围装置进行操作。选择STM32C8T6作为主要控制单元，并对其进行了选择。STM32是一款具有低压、高精度的微型处理器和高速可擦除的芯片。这很容易，很容易上手。它被广泛地用于医院、工厂、实时控制、停车场、计算机外围设备、通讯设备等方面。为了达到该系统的作用，需要通过与线路或者外界的功能进行通信。在这种情况下，要用引脚把两者相连，以实现互连，把微处理器的外部特征表现成整体。由于技术的进步，对微控制器的大小和形状有更高的需求，很多学者都建议有多种引脚可以在同一时间内实现，也可以用于多种功能。本文所选用的微处理器为STM32F103C8T6。这款微处理器的性能比51型处理器要好得多，不仅运算能力更强，而且还具备两个AD变换器，省去了在制造烟雾和CO的过程需要加上ADC转换，十分的简单方便。STM32通讯与控制的能力十分强。这是51微处理器所不能及的。由于51单片机仅使用1个串行接口，32MCU包含5个串行接口，因此对于某些需要使用USB接口进行通讯的组件来说，并不是像CD4052那样的双端口来实现的，32MCU由于自身能够实现多个时钟模组的功能，因此在功率消耗高的行业中占据了一席之地。STM32的特性：1.STM32C8T6的晶振元件使用RTC2.48个管脚。3.72MHZ的操作频率。4.本系统采用常规定时装置3台，先进定时装置1台。5.PLC采用2个2比特/16路ADCADC/D变换器.6.PLC采用3.3V的电压稳定晶片，最大输出功率为300MA。7.匹配ST-LINK和JTAG的debug下载.8.储存的资源是64kbyteFLASH和20byteSram。STM32103的内核是ARMCortex-M3，针对高性能、低成本、低功耗的特点，提出了基于ARMCortex-M3的方案。它的\o""时\o""钟\o""速\o""度\o""可\o""以达到700MHz，是同类中的佼佼者；内置32K至128K的\o""Flash内\o""存，Flash编码，STM32功率消耗36mA，是目前市面上32bit中功率最低的一款，约为0.5mA/MHz。STM32具有4个p端口；SPI-NSS芯片选择，启用。SPI-MISO资料数据的输出；SPI-SCK时钟线路；SPI-MOSI数据的录入。STM32微处理器复位：复位回路是使整个系统回到最初的位置，而MCU的复位方法有多种：上电复位，系统复位，备份区复位.上电重新设置：当系统通电、断电和系统从后备中复原时，就会发生。除了备用区寄存器之外，可以重新设置所有的注册。如果有以下两种情形发生，则重新设置一个体系：1.NRST管脚（外重置）的低电平（从外重置）2.WWDG重置窗监视次数结束（WWDG重置）3.结束单独的监视器计数（IWDG重置）4.软件重置（SW重置）5.降低功率消耗的重新设置STM32微控制器振动：第一，STM32没有内置的晶体振子，它是一个内置的RC振荡器。HSI中8MHzRC振荡器的误差约为1%，而RC型RC振荡器的准确率往往是HSE（HSE）的10多倍。没有什么优点和劣势，主要取决于使用情况，不需要太多的时间，也可以使用HSI，但是在使用HSI的时候，系统的最高时钟不能达到72MHz。STM32中的ISP使用的是内置RC的（HSI）。3.2主要功能模块电路图3.2.1电源电路设计该系统由5VDC供电，包括3脚电源子座，6根脚电源开关。该电源插座是为了与外界的电源插座相连通，而该电源插座则是为了对整个MCU的开闭进行控制。供电底座的2个引脚都是接地的，3个引脚只是为了保持固定作用供电，并无特别的用途，1引脚与功率开关的3个引脚相连，而1引脚和4引脚和6引脚的功能是一样的，以供供电的正极。电源开关的二、五端口引脚是单片机接地引脚，在使用中采用相对选择，即选一个或三个口引脚为输出，然后应选择五口引脚为接地引脚，四、六引脚为输出端口，2口引脚又用作接地引脚。因为单片机本身就属于低压器件，如果直接给它输入高压会对其造成很大的损坏，因此需要通过降压电路来降低单片机的工作电压，使其能正常工作。此次单片机中传感器及无线传输芯片电压均为5V以内，因此，5V电压就够了。若需要对这些传感器进行供电，可采用降压模块或高压转换模块。如有12V等电压传感器，然后可采用升压模块升压5V至较高电压供电。本设计电源电路见图3-4：图3-4电源电路设计3.2.2酒精传感器电路设计传感器及信号调理电路模块设计如图3-5所示，通过对5V的功率输入，使其更精确地测定和最大的偏差，需要对其进行2min的加热，然后进行测试。通过2引脚和5引脚来供电。如果周围存在着乙醇的气体，其导电性能会随着周围的酒精含量的变化而变化，随着酒精的含量增加，其导电性能也随之提高。因此，输出的电压会变得更大，并且信号经过电压跟踪，由B1管脚进入到MCU进行加工。加电位器我们可以进行校准，假设当酒精难度测量不准确我们可以通过旋转电位器来调节酒精传感器输出的电压值这样我们就可以做到校准的作用。图3-5传感器及信号处理电路3.2.3声光报警电路设计该系统采用了一种蜂鸣机和三极管组成的声光报警器。市面上有大量的蜂鸣机类型，我们选用5V供电的蜂鸣机作为实际应用。我们有一点相关的小窍门。假如我们认为蜂鸣机的声音不够，就可以去掉其喇叭上面的纸张。蜂鸣机的线路是非常简洁的。一头连接三极管的引脚。三极管的主要作用是通过对电流和电平值进行放大，从而触发蜂鸣机的警报信号，从而将电流的功率提高200次。在由单芯片提供的蜂鸣器的低电位下，三极管会使三极管上拉的电阻值以抑制其电流，避免其产生的电流击破，进而达到防止三极管破裂的目的。最后，加上led灯当蜂鸣器报警的时候led指示灯也会自动亮起和蜂鸣器就形成了声光报警电路，简单实用。单片机的报警电路部分电路图3-6所示。图3-6声光报警电路第4章软件编程设计4.1软件整体设计4.1.1整体设计方案该软件程序主要实现了与系统的软件相集成，以完成各种酒类的气体浓度的探测。其软件包括：数据的获取、A/D变换、资料加工、资料展示、警报等。本课题采用了模块性的方法，便于对系统进行修正和校验。软件模块包括：数据采集、ADC变换与加工、警报、LCD1602等。下面的程序展示了如何呼叫这些子程序。主要程序版块：开机以后，第一步是初始化模组，在乙醇含量测试面板中进行测定，并在读取数归零前进行测试。当检测到酒精含量时，该仪器会将其显示在屏幕上，同时判定该浓度是否高于该阈值，如果超出该阈值则会发出警报。4.1.2主程序流程图在图4-1中显示了主要的流程，展示完整的系统运作。开始开始初始化初始化触发A/D转换触发A/D转换换算酒精浓度换算酒精浓度酒精浓度显示酒精浓度显示NN是否大于阀值是否大于阀值YY报警灯亮报警灯亮结束结束图4-1主程序流程图4.2数据采集模块程序设计数据采集模块的程序如下：第一步初始化，第二步开始测量浓度值，A/D设置为连续扫描模式，采集当前数据后，将模拟量传送给单片机进行处理，在单片机内部ad配置引脚，然后初始化Adc_Init(void),ADC_DeInit；选取数据信道，GPIO_Mode=GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN；ADC_Cmd(ADC1,ENABLE)，用于仿真输入管针；规定启用管脚，ADC_ResetCalibration(ADC1)；重置校正，ADC_StartCalibration(ADC1)；接着执行读出的操作，u16Get_Adc_Average(u8ch,u8times)2个字节为16比特，进行一比特读操作，将当前读出的信息转化为数字，并将其转化为目前的电压值。得出目前的乙醇含量。开始开始单片机配置引脚单片机配置引脚产生时钟信号产生时钟信号选择数据选择数据NN判断AD是否转换完毕判断AD是否转换完毕YY读取字节读取字节一位一位读取数据一位一位读取数据结束，计算当前电压值结束，计算当前电压值通过当前电压，得到转换数据，显示当前酒精浓度通过当前电压，得到转换数据，显示当前酒精浓度返回返回图4-2数据采集模块程序流程图4.3液晶显示模块程序设计要使LCD屏幕正常工作，必须先写指令控制，再把要显示的资料写下来。在这步骤之前需要先用指示来检查LCD是不是正常的。工作时，要等到LCD显示工作结束后，再把控制文字和资料数据写出来。LCD1602LCD开机后，首先进行预设，清理萤幕中的画面，并清理内存。再与单片机进行双向通信，通过微机调整萤幕亮度及所需资讯数据，再经一次延迟，液晶萤幕便会呈现所测量之酒度。用单片机对写入针的指示来显示。接着，画面就开始播放了。LCD1602表示在4-3中的有关过程：图4-3液晶显示模块程序设计流程图4.4报警模块程序设计