基于车载智能酒驾检测保护系统大学生学年论文.docx

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基于车载智能酒驾检测保护系统大学生学年论文

学年论文

题目：

基于车载智能酒驾检测保护系统

摘要

随着我国经济社会的快速发展，人民生活水平的不断提高，近些年我国私家车的拥有量日益剧增，街头巷尾随处可见私家车。

与此同时，交通事故发生率亦呈上升趋势。

由于交通事故的发生不仅造成大量人员伤亡，给无数家庭带来不幸，而且严重影响着经济发展和社会稳定，已引起了各级政府的高度重视和关注。

人们在谈“故”色变的同时，开始寻找避免道路交通事故的方法。

因此，我们设计了一套汽车保驾装置，此系统采用了超高灵敏度酒精传感器，用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，超低功耗ATmega128单片机系统，自动探测酒精浓度的方法，以判断驾驶员是否是酒后开车。

主机电路包括七个模块，分别是酒精传感电路模块、温度传感模块、GSM通信定位模块、键盘控制模块、液晶显示模块、声光报警模块、继电器控制模块。

本系统以简单实用为宗旨不仅能在减少交通事故中起到积极作用，而且能为更多的人带来安全感。

关键词：

酒精气敏元件；GSM通信；继电器控制

Abstract

WiththerapiddevelopmentofChina'seconomyandsociety,people'slivingstandardshaveimproved.PrivatecarownershipinChinainrecentyears,growingsurgeinthestreetseverywherecar.Atthesametime,alsofoundanupwardtrendintheincidenceoftrafficaccidents.Duetotrafficaccidentsnotonlycauseheavycasualtiestocountlessfamilies,unfortunately,butaseriousimpactontheeconomicdevelopmentandsocialstability,hascausedgovernmentsatalllevelsattachgreatimportanceandconcern.Peopletalkabout"it"pale,whilestartlookingforreasonstoavoidroadaccidents.Therefore,wedesignedacarescortunit,thissystemusesahighsensitivityalcoholsensorAlcoholbesidethehot-typesemiconductorgassensorMQ3,ultra-lowpowermicrocontrollerATmega128systemautomaticallydetectsalcoholconcentrationmethodtodeterminedrivingwhetherthememberisdrunkdriving.Hostcircuitincludessevenmodules,namelyalcoholsensingcircuitmodule,thetemperaturesensingmodule,GSMcommunicationpositioningmodule,keyboardcontrolmodule,LCDmodule,soundandlightalarmmodule,voicecallmodule,relaycontrolmodule.Thesystemissimpleandpracticalforthepurposenotonlycanplayapositiveroleinreducingtrafficaccidents,andcanbringasenseofsecurityformorepeople.

KeyWords:

semiconductorgassensorMQ3;GSMcommunicationpositioningmodule;relaycontrol

目录

第1章设计概述2

1.1项目设计背景及概述2

1.2项目设计要求2

第2章总体设计2

2.1项目设计原理2

2.1.1原理概述2

2.1.2方案比较与论证4

第3章硬件模块设计5

3.1控制器模块5

3.1.1主控ATmega128单片机简介5

3.1.2酒精检测电路（酒精传感器信号采样及处理）6

3.1.3指示灯电路7

3.1.4液晶显示电路7

3.1.5GSM系统设置电路8

3.1.6继电器控制电路8

3.1.7报警和键盘电路8

3.2硬件设计框图9

第4章软件设计模块9

4.1软件设计原理9

4.2软件设计框图10

第5章调试与测试方案11

5.1测试工具11

5.2测试方法11

5.2.1主控测试11

5.2.2各模块测试12

第6章系统功能及使用方法13

6.1系统功能13

第7章存在的问题13

结束语13

参考文献14

附录15

1、电路原理图15

2、PCB图16

3、关于酒驾指标16

第1章设计概述

1.1项目设计背景及概述

　　2008年世界卫生组织的事故调查显示，大约50%—60%的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。

在中国，每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起；而造成死亡的事故中50%以上都与酒后驾车有关，酒后驾车的危害触目惊心，已经成为交通事故的第一大“杀手”。

2010年8月，十一届全国人大常委会第十六次会议将首次审议刑法修正案（八）草案，醉酒驾驶会被判刑。

在逢年过节醉酒驾驶更是频频发生，所引起的事故不仅给肇事者带来了身体和经济上的损失，而且给家人带来了无限的悲痛。

由于上述原因，我设计出一套汽车保驾系统装置，不仅可以给驾驶员检测是否醉酒并报警提醒驾驶员，而且可以把这一数据发送给驾驶员的亲人，让亲人阻止驾驶员行驶。

由于考虑到我国驾驶员平均年龄在35岁以上，所以该系统界面尽量做到了简单、直接，便于驾驶员快速熟练使用。

1.2项目设计要求

1、利用GSM模块实现通信。

2、酒精传感器电路模块准确检测当前酒精浓度。

3、4×4键盘实现人机交互。

4、12864液晶显示模块实现信息的准确显示。

5、具有声光报警功能。

6、当酒精浓度超标，自动锁死汽车点火装置，提醒驾驶员并同时报告家里人。

第2章总体设计

2.1项目设计原理

2.1.1原理概述

　　系统采用超高灵敏度酒精传感器，用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，超低功耗ATmega128单片机系统，自动探测酒精浓度的方法，以判断驾驶员是否是酒后开车。

主机电路包括七个模块，分别是酒精传感电路模块、温度传感模块、GSM通信定位模块、键盘控制模块、液晶显示模块、声光报警模块、继电器控制模块。

该系统放置在汽车仪表盘位置，当司机打开车门时，酒精探测控制仪启动，此时发动机处于被锁状态，汽车无法启动。

酒精传感器加热后，探测控制仪对酒精传感器探测的气体信号进行检测。

由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。

检测到的信号经过放大和滤波之后，通过单片机内置的8路高速10位ADC转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，LCD显示屏幕显示当前酒精浓度，同时绿色指示灯（正常）亮起，控制继电器不起作用，汽车随之启动;如果酒精含量超标但没有达到醉驾时，黄色指示灯（不正常）亮，报警控制继电器切断点火装置电源，警告驾驶员此时不能驾驶；如果检测到酒精含量已经超过醉驾指标，则红色指示灯（不正常）亮起，并且蜂鸣器响起报警声，控制继电器切断点火装置电源，同时安全带收紧，系统启动呼叫紧急联系人装置，通过GSM通信定位模块测定当前位置并拨打电话给驾驶员的紧急联系人（提前预设的紧急联系人，联系人可以改变），此时驾驶人员无法启动汽车，从根本上实现控制酒后驾车。

汽车启动后，控制仪随即进入低功耗状态，只有酒精浓度探测电路一直工作，一旦驾驶人员驾驶过程中饮酒，控制仪立即恢复到正常工作状态。

图2.1是系统设计原理框图。

图2.1系统设计原理框图

2.1.2方案比较与论证

1、系统主控选择

方案1：

此系统采用超高灵敏度酒精传感器，用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3作为检测酒精的传感器，,89C51单片机作为核心控制，以及GSM通信模块、4×4键盘控制模块、液晶显示模块、继电器控制模块所构成。

但是，需要外加模数转换芯片，此外还要扩充端口使得电路变得复杂。

方案2：

比较方案1，我们采用低功耗AVRATmega128单片机，其内置有8通道高速10位ADC，另外还有丰富的I/O口可选择。

此外还加了指示灯和蜂鸣器来提醒和报警。

该系统放置在汽车仪表盘位置，当司机打开车门时，酒精探测控制仪启动。

酒精传感器探测控制仪对酒精传感器探测的气体信号进行检测。

由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。

检测到的信号经过放大和滤波之后，通过单片机内置的高速10位ADC转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断（判断情况如之前所描述的三种情况）。

通过结合实际，比较可知，方案2更受使用者的欢迎，同时从节约能源方面考虑，方案2为低功耗，故采用方案2。

2、输入键盘选择

方案1：

本系统设计需要4×4矩阵键盘作为交互媒介。

可以采用画图软件先画出矩阵键盘原理图，然后通过制版制作成一块专用的键盘。

方案2：

本系统的重点是实现主要的功能，虽然能制出我们所需要的键盘，但是考虑到时间和成本我们决定采用现成的模块，如图2.2所示。

图2.2键盘模块图

系统总体框图如下：

图2.3系统框图

第3章硬件模块设计

3.1控制器模块　　

3.1.1主控ATmega128单片机简介

ATmega128为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。

AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且比普通的复杂指令集微处理器高10倍的数据吞吐率。

ATmega128具有如下特点：

128KB的系统内可编程Flash（具有在写的过称中还可以读的能力，即RWW）、4KB的EEPROM、4KB的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C）、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC（具有可选的可编程增益）、具有片内振动器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE1149.1规范兼容的JTAG测试接口，以及6种可以通过软件选择的省电模式。

3.1.2酒精检测电路（酒精传感器信号采样及处理）

图3.1酒精检测电路图

根据GB19522-2010《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》，交警判定酒后驾驶的标准见表3.1：

表3.1车辆驾驶人员血液酒精含量临界值

行为类别

对象

临界值/（mg/100ml）

饮酒驾车

车辆驾驶人员

20

醉酒驾车

车辆驾驶人员

80

　　测量血液中的酒精含量需要到医院进行，由于人体呼出气体中的酒精含量与人体血液中的酒精浓度是有一定的对应关系，所以呼气酒精测试仪的测量结果也可作为酒后驾驶的判断依据，且更便于执法人员现场操作和快速作出判断。

因此一般先检测车辆驾驶人员的吹气中酒精含量（BrAC），再换算出其血液中酒精浓度（BAC），其换算公式为BAC（mg/L）=2200×BrAC（mg/L）。

该系统采用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，探测范围为10～1000ppm。

酒精检测电路由高精度酒精传感器、信号调理放大电路、滤波电路和单片机内置10位高速ADC等组成，主要功能是检测酒精含量，判断其是否超标。

采用ATmega128单片机内部8路10位高速AD，将采样了32次的电压值求平均值，然后将平均的电压值带入到下面表3.2中的对应式子，求出酒精的浓度，并将计算出来的结果显示到LCD12864液晶上。

表3.2酒精传感器电压值与酒精浓度对应关系　

电压值u区间/V质量浓度转换式

0～0.700

0.70～0.8241.7u-28.2

0.82～1.4721.5u-11.7

1.47～1.7448.1u-50.8

1.74～2.65128.6u-190.7

2.65～2.76154.5u-259.5u

2.76～3.65233.7u-478.0

3.65～4.52100u+10

3.1.3指示灯电路

　　指示灯电路有红绿黄三个指示灯，绿灯是电源指示灯，工作时亮;黄灯表示已经检测到驾驶员酒驾，黄灯亮，则汽车点火装置不能启动；红灯亮，则表示驾驶员已经醉驾，此时汽车在点火装置不能启动，蜂鸣器报警同时GSM模块拨打紧急联系人电话。

3.1.4液晶显示电路

　　此系统选用的是LCD12864.这是一款低功耗的点阵图形式LCD，可以工作在3.3V供电的情况下，用来显示按键操作。

3.1.5GSM系统设置电路

本设计在系统终端采用了GSM系统模块如图3.2所示作为开发平台，当酒精检测系统发出醉酒超标信号时，单片机会发送查询当地地址指令给GSM模块，模块将返回当前汽车的具体位置的经纬度，单片机收到此信号后，将把此信息以短信的形式发送给驾驶员亲人的手机，而且还会发送一条“酒精浓度过高，请劝阻驾驶员行驶！

”的短信给亲人。

而且当如果车主发现自己的汽车遗失时，车主只需发送一个“ZXQCWZ”的短信给GSM模块，该模块也将会把车子的当前位置发给车主。

当车主或车主的亲人收到GSM模块发送的经纬度数据，车主或亲人就可以在网上搜索“手机基站数据转经纬度”的网站就可以将GSM模块返回的数字数据转为详细的清楚的地图数据。

　　图3.2GSM模块

3.1.6继电器控制电路

　　控制继电器主要用来控制汽车电动机的启动，当酒精传感器检测到的酒精浓度没有超标时，继电器不启动，整个系统正常工作，当酒精传感器检测到的酒精浓度已超标，继电器启动，断开电动机的发动，那么汽车就不能运行。

从根本上阻止了酒后驾车的危险。

3.1.7报警和键盘电路

　　利用蜂鸣器作为报警器，当酒精含量超标时，发出禁止行车警告音，不超标时发出允许行车提示音。

由单片机的I/O口驱动蜂鸣器来实现。

键盘模块可以在一些紧急的时候，进行拨号报警，挂机，设置等操作，增加系统人性化的操作，如图2.2所示。

3.2硬件设计框图

整个系统硬件结构由七部分构成，各个部分是由不同的模块构成，整个体系结构如图3.3所示。

图3.3硬件设计框图

第4章软件设计模块

4.1软件设计原理

　　对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。

汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。

程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。

汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。

　　C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。

还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。

且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。

基于C语言和汇编语言的优缺点，本系统采用C语言编写方法。

　　软件编写的主体思路是将系统按功能模块化划分，然后根据模块要实现的功能写各个子程序。

整个软件程序的编写采用查询式方式编写的。

　　在系统的初始化程序中，整个系统的初始化编程中按照如下图4.1所示编写，当把酒精传感器接触到酒精气体时，整个系统触发通信报警装置，程序编写如图4.2所示。

图4.1系统初始化的主程序流程图

　　图4.2酒精浓度高时程序流程图

4.2软件设计框图

整体系统软件框图设计如图4.3。

　　图4.3系统软件设计框图

第5章调试与测试方案

5.1测试工具

表5.1测试工具

数字示波器

1台

万用表

1台

电脑

1台

电源

1台

手机

1部

SIM卡

1片

5.2测试方法

5.2.1主控测试

在最小系统焊接完后首先进行通电检测，接通电源后观察有无异常，是否有异味，芯片温度是否正常，是否有短路现象出现。

若没有问题后，接着检测下载口是否正常，连接ISP_USB下载线先观察是否报错，如果现实连接设备就绪说明下载口正常。

然后再ICCAVR环境中下载用测试程序（流水灯即可，前提是I/O口连接正确）如果流水灯正常说明系统工作正常。

5.2.2各模块测试

1、酒精模块测试

先将测试电路搭接起来，包括示波器、酒精传感器MQ3。

将酒精传感器的数据输出端接在示波器上，VCC端接5V电源，GND接地。

用棉花蘸取少量白酒靠近酒精传感器，观察示波器显示屏上值的变化，若是接近线性变化的说明温度传感器是正常工作的，另外为确保可接在单片机上通过单片机内部的A/D转换将数字量直观地显示在数码管或者LCD液晶屏上。

3、GSM模块测试

先通过上位机调用命令的方式将所涉及到的功能都检测一遍，看此模块是否能工作正常，然后再通过串口线将单片机连接起来，通过单片机指令从测试是否能顺利工作。

4、输入键盘测试

首先，先通过物理的测试，用万用表检测键盘连接是否存在问题，如果没有可以与单片机连接，下载测试程序测试后可通过按键点亮流水灯来检测16个按键是否能工作正常。

5、继电器测试

通过搭建一个简单的电路便可测试，将继电器的控制口与单片机的控制信号连接，给继电器供电后，改变单片机控制信号的状态观察继电器的动作。

如果高电平时，继电器闭合，低电平时继电器断开。

说明工作正常。

6、LCD12864液晶屏测试

首先，上电测试，将LCD12864与单片机连接后，上电观察若整个屏幕都亮起，说明连接正确，接着下载测试程序测试是否能显示数字和字符。

如果能显示出要求的结果，说明LCD12864工作正常。

第6章系统功能及使用方法

6.1系统功能

1、当司机没有饮酒驾车时，系统的绿色指示灯闪烁，系统不会影响汽车的点火装置，司机可以正常驾车。

2、当司机饮酒驾车时，系统检测到空气中的酒精浓度处于0.1mg/l到0.4mg/l，此时系统的黄色指示灯闪烁，对司机发出警报信号：

“您已饮酒驾车，请不要违反交通规则！

”

3、当司机醉酒驾车时，系统检测到空气中的酒精浓度大于0.4mg/l时，此时系统的红色报警指示灯闪烁，报警蜂鸣器响起，同时系统会切断汽车的点火装置，系统会向提前预存的紧急联系人拨打电话通知他司机已经喝醉酒，无法驾车，请及时采取措施。

4、本系统具有菜单选择功能，用户可以自主选择想要的功能。

第7章存在的问题

本系统具有基本完善的酒精浓度监测及帮助驾驶人安全驾驶的一系列功能，但美中不足的是本系统未能开发出GPS导航功能，由于作品研发的时间限制，以及我们自己的学术能力的不足，我们未能将产品做到最完善，在以后的学习中，我们会再接再厉，继续扩大知识面，虚心听取老师的指导意见，争取早日可以将本产品的GPS导航功能实现，并且实现更多具有实用性的功能。

结束语

历时5个多月，我们的作品终于完成了，预期的功能也都基本实现了。

当然，我们有今天的成果少不了老师的指导与组员们的分工配合。

在此，非常感谢宋老师对我们的指导，以及感谢帮助过我们的学长学姐们，没有你们的热心帮助，我们不会有今天的成果。

通过本次课程设计，在专业方面，我们不但温习了之前学过的mega128单片机，而且自学了GSM通信模块，最重要的是学会了把自己的思想转化为产品。

除此之外，我们也认识到了团队合作的重要性，一个团队，只有分工明确，密切配合，才能更漂亮的完成任务！

参考文献

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257-268.

[2]曾兴雯，刘乃安，陈健.频率调制和解调.高频电路原理与分析，2006：

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[3]邱关源，罗先觉.对含理想运放的扩音器的分析.电路，2009：

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[4]张先庭，向瑛，王忠，周传璘.单片机原理、接口与C51应用程序设计，2011：

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[5]白中英.数字系统的基本模型.数字逻辑与数字系统，2008：

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[6]阎石.模拟数字转换.数字电子技术基础，2007:

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[7]高西全，丁玉梅.模拟信号的数字化处理.数字信号处理，2011:

21-29.

附录

1、电路原理图

图10ATmega128单片机最小系统

图11程序下载接口图12蜂鸣器驱动电路

图13系统供电电路

2、PCB图

图14主控板

3、关于酒驾指标

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

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使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

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学位论文原创性声明

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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涉密论文按学校规定处理。

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指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度