酒后驾驶智能闭锁系统的设计.docx
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酒后驾驶智能闭锁系统的设计.docx
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酒后驾驶智能闭锁系统的设计
酒后驾驶智能闭锁系统的设计
院系:
信息科学与工程学院
专业班:
电子科学与技术1102班
姓名:
学号:
指导教师:
2015年5月
酒后驾驶智能闭锁系统的设计
DesignofIntelligentLatch-up
SystemforDrink-driving
摘要
随着时代的进步,交通行业技术迎来了空前的发展,使得汽车保有量呈现剧增。
在我们享受汽车带来舒适和便捷的同时,各种频发的交通事故所导致的交通安全隐患也一直困扰着我们,如酒后驾驶、无照驾驶、违规驾驶等,严重威胁着我们的生命和财产安全。
本次设计主要完成以下几个方面的工作:
(1)根据该系统的实际目的以及系统装置所使用的特定环境,本次设计选择半导体型酒精传感器作为检测驾驶员呼出气体中酒精浓度的工具;采用合理的信号调理电路、ADC0809数模转换模块、单片机、显示模块、报警模块、继电器驱动模块设计硬件系统;
(2)在Keiluvision4基础上编写完成系统的软件设计,并进行编译调试;
(3)整合调试软硬件,并调试检验。
实验表明:
酒精传感器模拟信号输出经A/D转换为数字信号被STC89系列单片机采集,并由LCD显示屏显示。
酒精浓度超标时,报警模块启动并发出警告,主控制器控制继电器切断启动机电源,实现了本研究的设计目标和要求。
基于单片机的智能酒后驾驶闭锁系统工作性能稳定可靠,为交通安全提供了主动性防护保障,具有一定的实用价值。
本文对于系统的硬件、软件控制流程均有较为详细的说明,整个系统的设计简易实用,功能完整。
关键词:
汽车酒后驾驶单片机交通安全
Abstract
Withtheprogressofthetimes,transportindustryusheredinanunprecedenteddevelopmentwithwhichtheautomobileownershipalsohassoared.Whileweareenjoyingthecomfortandconveniencebringbythecar,atthesametime,manykindsoffrequenttrafficaccidentscausedbytrafficsafetyhazardhaveplaguedus,suchasdrink-driving、Drivingwithoutalicense、Illegaldrivingandsoonwhichseriouslythreatentohumanlifeandproperty.
Themaincontentofthisthesisisasfollowing:
(1)Basedontheactualpurposeofthesystemandspecificenvironmentthesystemdeviceusedin,thedesignselectthegascell-typealcoholsensortestingthealcoholconcentrationindriver'sbreath;weusetheappropriatesignalconditioningcircuit、ADC0809digitalanalogconversionmodule、single-chip、Alarmmodule、Relaydrivemoduletodesignthehardwaresystem.
(2)CompletedthesoftwaresystemcompilinganddebuggingundertheKeiluvision4.
(3)Integratethesoftwareintothehardwarethathasbeendesignedandactualtestits
performance.
Theexperimentaltestdemonstratesthatalcoholsensor’sanalogsignalisconvertedtodigitalsignalstoredinregisterthroughA/Dconvertingmodule.Thesystemprocessthegascell-typealcoholsensorsignalpreciselythendisplayeditonLCDmonitor.Whenthealcoholconcentrationexceeds,voicealarmmodulewarnsdriver,atthesametime,andthehostcontrollercontrolsrelayshuttingdownthevehicleenginepowertoavoiddrink-drivingactively,realizingthisstudyrequirements.Overall,theintelligentlatch-upfordrink-drivingsystembasedonMCUworksexcellently,cansatisfythesecuritydemandsandtherequestsofthisresearch.
Keywords:
automobiledrink-drivingMCUtrafficsafety
绪论
随着经济的迅速发展,人们生活水平的相应提升,于是“酒”这东西随着各种应酬更加贴近了我们的生活,由于私家车的数量随之水涨船高,所以酒后驾车也频频发生,给人们的生活和生命安全带来了巨大的伤害。
根据世界卫生组织2014年交通事故调查显示,酒后驾驶导致的交通事故占据每年的交通事故大约50%-60%,据此世卫组织已经把酒后驾驶列为车祸致死的首要原因。
为了能够有效防止酒后驾驶,降低交通事故的发生率以及避免它所造成的种种交通意外产生的危害,我们迫切需要一种能够识别酒后驾驶并且能自动切断汽车电源的智能闭锁系统,因为它能够机械性的强制酒后驾车,不给酒驾留有余地,所以能够提高道路安全水平,更好地保障我们的交通秩序,为我们的出行安全构建了和谐的环境。
国外最早针对司机酒后驾车事故频繁的现象而研发出了酒后驾驶的酒精测试仪,它是一种呼气式测试仪,多以用于事故之后,交警根据检测结果进行事故分析处理和责任划分并以此为根据给予驾驶员一定的惩罚。
而现实生活中我们想要的是一种预警的作用,能够避免酒驾的产生。
沃尔沃最早在2007年推出一种防止酒后驾车的安全系统“酒后驾驶闭锁装置”,在进入汽车后会有提示司机必须先向无线手持设备里呼气,在准备启动汽车前,无线信号把设备分析结果传送给汽车的电子中控系统,如果显示酒精浓度超过0.2g/L会产生报警且闭锁装置会切断引擎电源使发动机不能启动。
日产在其一款概念车上全面应用防止酒后驾车的各项技术。
该车在挡杆上安装了智能传感器,由于人的手会分泌汗液,当驾车者手与挡杆的接触后,传感器会检测汗液中酒精含量,通过传感器检测出的酒精浓度一旦超过警戒值时,汽车会在中控系统发出鸣响警报,并且能够自动锁住变速器,使得汽车无法继续行驶。
我国对于这方面的研究比较少,四川省交通厅的高级工程师刘仁贤设计出一种让汽车自动断油断电停车装置,传感器能自动感应驾驶员呼出的气体,一旦检测到里面酒精含量超标,就会自动发出指令,使得车辆停止供油断电。
目前,类似性质的研究只有国家交通技术领域正在研究的驾驶行为监控预警技术,但是碍于现有的技术和工艺水平,仍待进一步的深入研究和相关配套工艺的发展。
1总体方案设计
1.1设计任务
本课题设想完成一种能防止司机酒后驾驶的智能系统,该系统的核心为闭锁装置。
该系统的控制核心为STC89C52芯片,司机呼出气体中的酒精含量采用呼气式半导体酒精传感器检测,我们会通过液晶显示器显示该酒精浓度值,当单片机经过一系列计算判断检测到的司机体内酒精含量超过设定警戒值时,系统能够产生声光报警,并通过控制继电器来切断汽车引擎的供电电源,使得汽车无法启动。
本次主要包括以下几个方面的内容:
(1)设计智能闭锁系统的结构组成以及框架结构,熟悉并深入了解控制系统中的各功能模块的原理;
(2)熟悉SCT89C52芯片的特性和功能,设计自动控制系统的硬件电路。
以
SCT89C52芯片为核心的最小系统作为中控电路,外围功能模块划分为酒精传感器信号调理电路、模数转换电路、报警电路、显示电路、继电器驱动电路等;
(3)软件编程。
按照软件需要实现的功能,主程序可以分为酒精传感器信号调理模块、模数转换模块、中控模块、报警模块、显示模块、继电器驱动模块等;
(4)硬软件结合调试。
1.2系统框架设计
根据本次设计的要求及构思,设计了基于单片机的酒后驾驶智能闭锁系统的系统框图,如图1-1所示。
图1-1系统框架图
下面对该系统做简要介绍:
本系统主要由STC89C52芯片作为中控模块的核心,通过它来控制传感器信号调理模块、模数转换模块、显示模块、报警模块、继电器模块5大模块。
其主要任务是传感器采集数据,经信号调理放大后通过模数转换模块进行转换送至单片机处理,显示模块能够实时动态显示,当检测值超过标定值时,报警模块工作,同时中控会驱动继电器切断汽车供电电源,达到无法启动汽车引擎。
1.3器件论证
(1)传感器选择
燃料电池型酒精传感器拥有稳定性好、精度高、抗干扰性好等一系列优点,但是由于其属于电化学类型且碍于此酒精传感器的结构要求,目前只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产,于是目前国内半导体型酒精传感器使用较为普遍,因为它的主要优点是价格低廉,同类型的半导体型价格只是燃料电池型的几分之一,虽然它的性能要差于燃料电池,但是基于本次设计要求和使用环境我们不需要达到特别高的精度,于是从成本等方面的考虑,本次课题选用半导体型酒精传感器MQ-3。
(2)模数转换芯片选择
本次模数转换选用ADC0809芯片,虽然在精度和速度上相对于其他芯片稍处于劣势,但是基于我对数模转换的认识和熟悉程度,以及从成本的考虑,所以最终选择ADC0809。
(3)显示屏选择
由于该系统只需要显示设定的电压值,测试的酒精的浓度以及转换之后的电压值,所以方案二中运用LCD12864虽然显示效果好,但是浪费资源,耗能较大,而且编程难道较大,占用CPU时序较多,采用LCD1602显示时可以达到同样的显示效果,不仅占用CPU时序少,而且编程简易。
所以本次系统设计选用LCD1602显示。
(4)继电器选择
本系统中继电器主要是起到一个自动控制作用,当酒精浓度超过警戒值时会触发继电器,从而驱动开关断开,关闭汽车供电系统。
基于本次设计需要选用固态继电器,它的输入端连接单片机,输出端连接汽车供电系统,它采用类似于开关的中间隔离器件实现自动控制功能。
2硬件电路设计
2.1系统电路架构
单片机STC89C52作为本次项目的核心器件,它主要用来进行各个模块的协调工作,其中,在它的外围电路上有:
信号调理电路、模数转换电路、液晶显示电路、报警电路、继电器电路、按键电路。
如图2-1所示。
图2-1系统电路架构图
2.2核心板电路
核心板硬件电路中用P3^5~P3^7端口来控制按键,用P1^0~P1^7端口作为ADC的数据接收信号,P2^0~P2^3端口为ADC控制信号,用P3^0来控制继电器驱动电路,用P3^2端口来控制报警电路,如下图2-2所示
图2-2核心板电路图
2.2.1晶振电路
STC89C52片内有一个高增益的反相放大电路,它有两个端口,输入端引脚是XTAL1,输出端引脚是XTAL2,因为单片机需要有用的时钟信号,所以该反相放大电路利用外接的石英晶振和电容,构成了稳定的自激震荡电路,它产生的脉冲信号经过内部的二分频后直接被送入了单片机内部。
如图2-3所示,其中电容C1和C2起到调节频率的作用,其值一般取22uF,晶体的震荡频率范围一般为1.2MHZ~12MHZ,此次设计中选用的是12MHZ的石英晶体。
图2-3晶振电路
2.2.2复位电路
STC89C52本身没有复位功能,它是通过外部构建的复位电路来实现复位的,复位操作需要的信号首先会由单片机的复位引脚RST通过施密特触发器来抑制噪声进行补偿,然后施密特触发器会产生输出电平,最后由复位电路采样,只有这样得到的信号才能满足要求。
此次设计采用的是通过电容充电来实现的高电平,它实现高电平复位的功能只需要电容充电的时间不超过1ms就可以。
如下图2-4所示。
图2-4复位电路
2.3外围电路
2.3.1信号调理电路
本次设计中信号调理的作用是把来自传感器测出的模拟信号进行放大于然后送至数模转换模块。
因为传感器的输出是相当小的电压变化,这种微小的变化不易被转换器读知,使得此次传感器采集到的模拟信号信号不能直接转换为符合需要的数字信号数据,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
所谓调理即是放大,使得经过它处理的信号适合于模/数转换器(ADC)的输入,本次传感器需要采集的酒精浓度是一种模拟信号,需要经过调理电路将其进行放大才能够利于数模转换进行工作,电路图如下图2-5所示。
图2-5信号调理电路
2.3.2模数转换电路
ADC0809是8通道、8位逐次逼近式A/D模数转换器。
本次涉及到的引脚为ST、EOC、OE、CLK和D0~D7,ST为模数转换开始信号,当ST电平处于上升沿时,内部寄存器清零;当ST电平处于下降沿时,开始进行A/D转换;在转换期间,ST保持低电平。
EOC为转换结束信号,当EOC为高电平时,转换结束;否则,表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号,OE=1,输出转换得到的数据;OE=0,输出数据线呈高阻状态。
CLK为时钟输入信号线,因ADC0809的内部没有时钟电路,必须外接晶振电路提供时钟信号。
转换的数据输出给单片机必须保证EOC和OE都为高电平。
如下图2-6所示。
图2-6数模转换电路图
2.3.3LCD1602显示电路
本设计的显示电路采用LCD1602液晶屏显示,P2^4~P2^6端口作为LCD的RS、RW、E的控制端,用P0端口作为LCD的D0~D7的控制信号。
本设计中的1602显示的内容有:
设定电压值、酒精浓度、测定电压值等等信息。
电路连接图如下图2-7所示。
2-7显示电路图
2.3.4报警电路
此次的设计中是用蜂鸣器来进行报警的,由于在实际的应用中,单片机的输出标准电压为5V,因此它的输出功率是有限的,所以在本次的设计中,采用三极管放大电路来放大单片机的输出功率,用放大过的功率来驱动蜂鸣器,这样就可以通过调节电阻的阻值来改变蜂鸣器声音的大小。
电路图如下图2-8所示。
。
图2-8报警电路
2.3.5按键电路
此次的设计中由于使用的按键较少使得单片机的输出端口较为充裕,所以采用了独立按键的方式对设定值的各个数位进行控制,1和2号按键用来控制设定值的小数点后两位,而3按键用来进行个位的设定,在单片机的输出端口中用P3^5~P3^7端口来控制按键,并用软件的形式不断的扫描检测按键的状态,随时记录按键的返回值,以便于其它模块的调用。
电路图如2-9所示。
图2-9按键电路图
2.3.6继电器驱动电路
当酒精传感器检测到驾驶人员呼出的气体中酒精浓度超过预设值时,即已判断当前驾驶员处于醉酒状态,如果驾驶员仍旧有意向开启汽车,那么酒后驾驶智能闭锁系统将驱动继电器动作从而可以切断汽车引擎供电电源,使得汽车无法启动。
继电器驱动电路原理图如下图2-10所示。
图2-10继电器驱动电路图
3软件设计
3.1软件功能分析
系统程序主要完成信号调理、A/D转换、数码显示、报警、继电器驱动等功能。
软件对经过信号调理电路放大的酒精传感器的测量信号进行A/D转换,将测量数值与按键电路设定的警戒值进行比较后判断是否醉驾,然后调用相应的显示、报警以及驱动程序。
系统初始化后,经过大约20s预热的酒精传感器MQ-3开始对酒精气体进行采集,由于MQ-3的两个电极端间有气敏电阻,所以当检测到有酒精气味时,MQ-3的两个电极端A-B之间的电阻阻值将会变小,流经电压值也将会变小,而与之对应的气体传感器负载电阻的分压将变大,从而产生模拟电压信号,此时的信号十分微弱,无法被模数转换器识别读入,所以需经过信号调理电路将其进行放大,以利于模数转换。
由于ADC0809的模拟输入端与负载电阻的一端用导线连在一起,所以单片机需要选择通道0,然后写入模数转换芯片,同时将用作查询的单片机引脚P2.1置位,这样才能启动测试模数转换芯片,当有经过放大后的模拟信号通过通道IN3端输入过来时,启动对采集的电压模拟信号作模数转换,等待转换的结束。
因为单片机有非常丰富的I/O口,所以可以采用查询方式来对模数转换是否结束进行检测,当查询到单片机引脚P2.1为高电平时表示转换还未结束,继续等待,当查询到P2.1为低电平时表示模数转换已经结束,可以开始读取经过转换由模拟信号变成的数字信号的数据了。
单片机通过I/O口的P1.0~P1.7与模数转换芯片的数据输出口D0~D7相连从而读取转换后的数据。
读取后的数字信号数据送到数据存储器单元中,因为我们相应得到的结果是确定的数值,所以经过单片机作相应的处理后,最开始的电压值便会转换为酒精浓度值,然后经过显示系统译码处理转换成三位十进制BCD码在LCD1602显示屏上得到显示
3.2程序设计流程
本设计采用的是自顶向下的设计流程,即在编写程序代码时,先考虑程序的总体设计而忽视一些细节的结构,然后再进行一步步的细节设计,直到用程序实现每一个功能为止。
因此程序流程图如图3-1所示。
Y
N
图3-1程序流程图
3.2.1信号调理模块
当传感器检测到被测气体时,比较器LM393管脚2点的电压值随着传感器检测到气体的浓度的增大而增大,当浓度值超过设定的阀值时,比较器3脚的电位低于2脚的电位,这个时候LED灯将会由于比较器1脚输出低电平而变亮,传感器输出低电平(R3做为LED灯限流电阻起保护作用,C1为滤波电容),反之,当没有信号的时候,传感器输出与电源电压相同。
流程图如图3-2所示。
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Y
图3-2信号调理流程图
3.2.2AD转换模块
在数模转换中,A/D启动需要先将采样程序CS、WR置为低电平,经过延时0.1ms后再将CS、RD置为低电平,然后便可读取A/D转换的数据;对于本次系统设计,我们在此程序中选择了连续取10次A/D转换结果,然后取其平均值,这样可以提高采集数据的精确度。
流程如图3-3所示。
N
Y
图3-3A/D转换流程图
3.2.3中控模块
中控模块是整个程序的核心,主要是对数模转换模块提供的数据进行计算与处理,并与预设值进行比较做出判断,从而控制报警模块、继电器驱动模块以及显示模块的运行。
程序流程如图3-4所示。
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Y
图3-4中控程序流程图
3.2.4报警模块
报警程序主要是执行经过单片机处理判断后的信号数据,当酒精浓度超过预设值时此模块便会进入工作状态,蜂鸣器会响起,同时LED也会亮。
程序流程如图3-5所示。
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图3-5报警程序流程图
3.2.5继电器驱动模块
在报警电路工作的同时,继电器驱动模块也会接收来自单片机的指令,从而做出相应的动作来响应。
程序流程图如图3-6所示。
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Y
图3-6继电器程序流程图
3.2.6显示模块
显示模块主要是将得到的数据经过译码然后通过串行口传送到显示屏进行显示作。
E端为使能端,要使液晶模块执行命令只有当E端由高电平跳变成低电平时才可以,当RS端为低电平且RW端为高电平时可以读忙信号无法写入数据,只有当RS端为高电平且RW端为低电平时才可以写入数据,当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址。
如图3-7所示。
图3-7显示程序流程图
4系统调试与测试
前面详细论述了智能闭锁系统的硬件和软件设计,但是要求系统真正的运行起来并且达到预期的指标和功能,就必须对系统进行调试。
系统的调试包括系统的硬件调试和软件调试。
4.1系统硬件调试
先裁剪出尺寸合适的PCB板,并且在焊接前对整个电路板进行检查,主要是检查印制的电路PAD是否有破损情况,如果检查没有问题,则可以对元器件进行焊接。
焊接前应该对设计所需要的电阻、电容的值要进行现场测量然后筛选筛选,选择与电路中参数值一致的元器件,在选择芯片时,要注意芯片与设计要求的型号、规格和安装是否一致。
电路板焊接完成后,对每个元器件的引脚逐个进行检查,一方面是检查有无引脚虚焊或与其他信号线短路,另一方面是对器件引脚功能的再检查,查看设计是否正确。
检查电路焊接没有问题后,则可以进行上电测试。
上电测试是系统硬件调试的关键部分,只有电路导通整个系统才能工作。
按照系统方案设计的模块化思想,本次调试也是分模块进行测试。
首先测试系统电源部分,因为本次供电电压为5V,待系统上电以后,用万用表测试各个电源端口和器件的电源部分是否为+5V,同时通过触摸注意系统中有无芯片发生过热情况,如果有的话,须立即断电,因为导致此类情况可能是相应的器件损坏或电路中有短路,需要认真检查之后再加电。
如果检测没有问题,接着便可以进行功能的检测。
在调试的时候有以下问题及解决方法:
(1)焊接完成后对整个电路进行初步虚焊和短路检查,没有明显错误后对系统进行供电,但是发现LCD显示屏并没有工作,经用万用表对引脚进行测试发现单片机最小系统电压低于5V,仔细检查后发现没有接VCC,焊好后显示屏立马亮起。
(2)在调试过程中无意触摸到ADC0809模块温度异常高,而且显示屏虽然亮起但是并无数据显示,查阅资料知芯片已经烧坏。
请教同学发现由于自己的粗心大意,导致数模转换模块和传感器模块的正负极接反,以至于烧坏芯片。
换下芯片重新接好正负极电路回复正常。
4.2系统软件调试
电路连接好,将调试程序代码烧写到SCT89C52单片机上,接上+5V电源开始调试。
先进行单一模块程序的调试,看看每个子程序模块能不能实现出来,如果不能实现出来,需要进行程序代码和电路图的检查,查出问题所在并对其进行修改。
只有当每一个子程序模块功能调试能实现出来,然后才能把整个程序导入,来进行整体调试。
在调试中,对酒精浓度的数据采集是一个连续动态的过程,LCD显示屏需要实时显示出酒精浓度从而利于单片机做出判断,这就要求时延必须尽可能小。
本次调试过程中发现显示屏的数据刷新速度太快,超过肉眼辨别范围,最开始怀疑是晶振小于要求值,但是资料显示并无差异,所以尝试更改延时大小,最开始设定值为10us,经过一次次的修改之后,最后当把延时改为25us时显示正常,而且仍旧能做到动态实时显示。
结论
本次的设计报告主要介绍了运用单片机实现智能闭锁系统的设计方法。
系统的介绍了本次设计的硬件电路和软件功能,系统以STC89C52为核心,运用了所学的单片机相关知识,实现了此次设计的功能要求。
(1)从主动安全角度经过论证提出本次酒后驾驶智能闭锁系统的设计方案,并对方案进行了可行性的优化设计
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