基于单片机的车载酒驾检测系统设计.docx
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基于单片机的车载酒驾检测系统设计
机械与材料工程学院
本科毕业论文(设计)
题目基于单片机的车载酒驾检测系统设计
专业班级测控技术与仪器二班
学号**********
学生姓名
指导教师
设计所在单位
2015年5月
基于单片机的车载酒驾检测系统设计
摘要:
针对酒后驾车导致交通事故频繁发生的现象,设计了一种能够防止酒后驾驶的控制系统。
将酒驾带来的潜在后果扼杀在源头。
该系统是一款基于MSP430单片机的超低功耗酒精检测控制系统。
该系统可以自动对酒精浓度进行检测,以确保行车的安全。
系统可以根据检测到的酒精含量是否超标对驾驶人员反馈相应的信息。
如果超标,则驾驶人员无法启动汽车,因此从根本上杜绝了酒后驾车的出现。
该系统具有性价比高,智能化程度高,工作稳定可靠的优点。
而且可以用在需要控制酒精浓度以确保安全的任何场合。
该系统以单片机为核心,配以检测电路、控制电路、LCD液晶显示电路、语音报警电路,从而实现智能车载安全控制服务。
由于具有设备检测的主动判断能力和较强的人机交互性,因此具有较高的实用价值。
关键词:
酒精检测;语音报警;LCD液晶显示;MSP430单片机
TheDesignofAlcoholTestingSystemBasedonMCU
Abstract:
Aimingatthephenomenonofthatthedrunkdrivingcausestrafficaccidentsfrequently,designedacontrollingsystemtopreventdrunkdriving.Bydoingthis,thepotentialconsequencesofthedrunkdrivingwillbekilledatsource.Thissyst-emisanultralowpowersystembasedonMSP430singlechipmicrocomputeralcoholdetectioncontrollinginstrument.Anditcouldtestthealcoholconcentratio-nautomatically,sothatthedrivingsafetycouldbeensured.Thesystemwouldfeedbackspecificinformationstothedriveraccordingtothedetectedresultofalcohol.Ifitisoutofthestandard,thedrivercouldnotlaunchthecar,whichfundamentallyputanendtotheemergenceofdrunkdriving.Therearemanyadvantagesonhighcostperformance,highintelligencedegreeandworkingstablyandreliabl-y.Anditcanbeusedinanyoccasionwherethealcoholconcentrationneedstobemonitored.
ThesystemisasthecoreofMCU,andassociatedwiththedetectioncircuit,controlcircuit,LCDdisplaycircuit,voicealarmcircuit,soastoprovidetheintelligentvehiclesafetycontrolservices.Becauseofthecapacityofequipmentdetecting,makingjudgeactivelyandstronghuman-computerinteraction,ithasahighvalueonpracticing.
Keywords:
Alcoholtest;Voicealarm;LCDliquidcrystaldisplay;MSP430singlechipmicrocomputer
第一章绪论
1.1选题的目的与意义
早在1936年,挪威就颁布了0.05%(g/ml)的血液酒精浓度(Bloodalcoholconcentration;BAC)为酒后驾车的标准[1]。
一项路边调查显示(单车严重事故):
BAC每增加0.02%(g/ml),致死性碰撞事故增加近2倍;BAC为0.05%-0.09%时:
致死性碰撞事故的危险性至少9倍于BAC为0的驾驶员。
死亡单车事故中,BAC为0.05%-0.09%的驾驶员11倍于BAC为0的驾驶员。
世界各国中,在英国:
:
7个事故死亡者中有1个与酒精有关;在荷兰:
12个事故死亡者中有1个与酒精有关;在日本:
20个事故死亡者中有1个与酒精有关;在德国:
6个事故死亡者中有1个与酒精有关;在加拿大:
43.5%的死亡事故与酒精有关;在美国:
绝大部分州的法定BAC是0.1%;在法国:
6个事故死亡者中有1个与酒精有关;在瑞典、芬兰:
25%-29%的严重损伤事故与酒精有关[2]。
此外,在英国:
25%至49%的严重损伤事故与酒精有关;在加拿大、美国:
43%-63%严重损伤事故与酒精有关。
因此酒后驾车的监测对居民的人身及财产安全就显得必不可少。
设计一款车载酒驾检测系统就具有强烈的现实意义和一定的商业前景。
本次设计基于MSP430单片机来实现相应功能。
MS430单片机[3]是一个16位的,具有集成度高,功能丰富,功耗低等技术特点的混合型单片机。
由于它具有极低的功耗,丰富的片内外设和方便灵活的开发手段,受到国内外广大科技人员的欢迎。
且由于价格便宜,而且可以用C语言来完成程序设计,可以提高调试开发的工作效率,有着一定的应用前景。
本次设计注重于产品的通用性和模拟性,设计的成果可移植到其他多个领域进行应用。
1.2车载酒精检测系统的发展趋势
2007年,沃尔沃就提出了车载酒驾监测系统这样的概念,并且推出了一款名为“酒后驾驶闭锁(Alcoguard)”的技术,虽然该技术由于多种原因未能普及,但是它却开创了一个技术先河,并且为后来的技术发展奠定了一定的基础。
目前,可以对气体中酒精含量进行检测的设备有五种基本类型。
即燃料电池型(电化学)、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型[4]。
但由于价格和使用方便的原因,常用的只有燃料电池型(电化学型)和半导体型两种。
而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,材料成本高,价格相当昂贵,是半导体酒精传感器的几十倍。
现如今,对于呼出气体中酒精含量的检测仪中,国内普遍采用半导体型酒精传感器。
鉴于国内行情,本论文旨在设计一款新型的酒精检测仪,使人们能够更便捷地进行自我检查、提高安全意识,在学术、技术和应用上都有很大的意义。
采用TI公司[5]的MSP430G2553作为主控芯片,其凭借低功耗、高集成度、运算性能强大,抗干扰能力强等特点[6],在低功耗、便携式仪器仪表等领域得到了很好的应用和发展[7]。
1.3本文研究内容和主要工作
本课题研究的重点是准确获得车内酒精浓度,并采用一定的数据处理手段,对是否达到醉驾标准进行判断以消除酒驾对车主人身及财产安全的潜在威胁。
为了精准地采集到关于酒精浓度的数据信息,本次设计采用了专用型酒精传感器——MQ-3酒精传感器。
MQ-3酒精浓度传感器检测人呼出气体中酒精的浓度并且输出电压信号,然后把信号输出到高集成度的混合集成芯片MSP430作处理,并完成数据采集、判断处理、数据的传输等功能。
具体过程如下:
单片机采集酒精传感器的响应信号,并且进行转换,储存在数据存储器(SRAM)中[8],然后单片机通过特定的算法进行气体浓度的识别,并且将结果输出到LCD显示屏幕上,同时可发出浓度阈值的声光报警信号。
从而实现酒精检测的功能。
基于MSP430单片机对车载酒驾检测系统进行设计,包括线性稳压电源模块设计,数据检测采集单元设计、软硬件的数据处理、输出控制模块及液晶显示单元设计等。
第二章酒精检测系统的总体分析
2.1酒精检测系统的工作原理
大量的统计研究结果表明,如果被测者深吸气后以中等力度呼气达三秒钟以上,这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体。
呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系[9]:
BAC(inmg/L)=BrAC(inmg/L)x2200(式2.1)
其中,BAC代表血液酒精度,BrAC表示呼气酒精浓度,inmg/L表示以每升中多少毫克为单位。
也就是说,以毫克/升为单位的血液酒精浓度在数值上相当于以毫克/升为单位的呼气酒精浓度乘上系数2200(由于各国的情况不同,在美国此系数采用2000,而欧洲很多国家采用2100)。
由于BrAC受到环境温度、湿度,以及被测试者个体差异等多方面影响,其测试结果不如直接检测BAC准确,但是该结果仍可作为判断饮酒程度的重要参考。
MQ-3型酒精传感器[10-14]主要由气敏元件和电热丝组成。
当MQ-3型传感器外接5V电压时,可将电热丝加热至270℃~300℃。
电路将MQ-3传感器的阻值变化转换为输出电压的变化,从而可以通过A/D转换成数字量供单片机处理。
系统采用超高灵敏度酒精传感器,超低功耗单片机系统,自动探测酒精浓度的方法,可以防止驾驶人员逃避检测,以判断驾驶员是否是酒后开车。
该系统可放置在汽车仪表盘位置,当司机发动汽车时,酒精检测系统启动,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,酒精检测系统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12位ADC转换为数字信号,由单片机对此信号进行处理判断,使LCD显示屏幕显示当前酒精浓度,同时正常指示灯亮起,控制继电器不起作用,汽车随之启动;反之,则进行声光报警,控制继电器切断点火装置电源。
汽车启动后,控制仪态,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,酒精检测系统立即恢复到正常工作状态。
2.2酒精检测系统的主要功能与特点
该系统采用先进的超低功耗16位微处理控制器,采用气体传感器,高可靠、高精度LCD液晶显示,美观清晰,精简式键盘操作,极佳人机交互界面,语音报警提示信息,报警点可调,预热时间短,响应恢复迅速。
2.3单片机的选型
我们在确定某一功能的器件选择时,往往要考虑多方面的因素,比如市场资源、单片机性能、研制周期等,其中性能要求是最重要的。
因此,应根据系统要求和各种单片机性能,选择最容易实现产品技术指标的机种,而且能达到较高的性价比。
单片机的性能包括片内资源、扩展能力、运算速度、可靠性等几个方面。
MSP430系列单片机[15]是美国德州仪器(TI)公司推出的一款Flash型16位RISC指令集超低功耗的混合信号处理器。
该单片机内部集成有8通道、12位精度、高速的A/D转换模块ADC12,其最大采样速率可以达到200ksps。
片内还有2个具有捕捉/比较寄存器的定时器和高达60KB的Flash、2KB的数据RAM,这些都为多通道现场数据采集提供了坚实的硬件保障。
完全以系统低功耗运行为核心,可在1.8~3.6V低电压下工作,系统采用3.3伏工作电源;具有高速和低速时钟;具有正常工作模式(AM)和4种经验交流TechnicalCommunications低功耗工作模(LPM1,LPM2,LPM3,LPM4),AM为活动状态,其余为低功耗模式,其中LPM4数据保持模式仅耗电0.1Μ,从低功耗模式到活动状态只需6μs,单片机可以方便的在各种工作模式之间切换。
MSP430的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。
该单片机主要有以下特点:
1)具有很低的供电电压。
单片机的供电电压最低可以低到1.8V,单片机的供电电压范围是:
1.8V~3.6V。
2)超低的功耗。
这是目前其他单片机没有的特色。
他在休眠的条件下的电流只有0.8uA,就是在2.2V、1MHz条件下工作的电流只有280uA。
3)快速的唤醒时间。
从休眠方式唤醒只需要6us。
4)快速的指令执行时间。
它采用的是16位的RISC结构,指令的执行时间只需要150ns,是传统单片机不能比拟的。
5)片内有12位的A/D转换器,片内提供参考电压。
A/D转换器具有采样保持和自动扫描的特点。
6)16位的定时器Timer_B带有7个捕获/比较寄存器。
7)片内提供温度传感器。
8)具有灵活的时钟设置。
主要有以下几种方式:
32kHz的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。
这样可以根据功耗的要求进行灵活的时钟设置。
9)16位的定时器Timer_A带有3个捕获/比较寄存器。
10)片内提供模拟信号比较器。
11)串口通信模式:
USART0、USART1。
两个串口都可以通过软件选择设置成UART方式或者SPI方式,由于该系列单片机提供了连个串口,因此能为用户进行多通信设计提供方便。
12)片内提供较多的存储器,MSP430F147提供的片内的FLASH为32KB,MSP430F149提供片内的FLASH为60KB,同时片内还提供较多的RAM,以便进行运算处理。
13)提供P1.0~P6.0共6个数据端口,能为用户提供更多的处理功能。
在提供的外围数据端口中,有两个端口具有中断功能,这样能丰富硬件系统的中断资源,也为实现多任务系统提供方便。
14)代码保护功能。
单片机的安全熔丝能对程序的代码进行保护,从而可以对知识产权进行保护。
15)具有JTAG仿真接口,这样非常便于软件的调试。
第三章硬件设计
3.1系统的硬件原理框图
该系统主要是由键盘输入、传感器采集模块、液晶显示模块、语音报警模块和CPU处理模块等组成,整个系统的原理框如图3.1所示。
图3.1系统的整体框图
由图3.1可以看出,传感器模块与单片机的A/D通道进行连接,可以简化模拟采集的设计,从而减小设计的复杂性,增加系统的可靠性,也同时减小了PCB的面积。
键盘输入模块是通过单片机的P1口来实现的,由于P1口具有中断功能,所以实现起来非常容易,并且也非常适合软件编程。
电源及复位模块主要是为整个系统提供可靠的电源,另外考虑到系统工作需要有复位功能,因此也为系统提供复位信号。
报警模块主要是单片机在检测到报警条件时,发出报警信号,从而驱动语音芯片实现报警功能。
显示模块主要是为了得到实时,动态的数据。
3.2电源电路
如图3.2所示,220V交流电压经过线性稳压电路后转为5V和3.3V直流电压,为系统提供所需电压。
图3.2供电模块
电源电路中采用了三端固定输出集成稳压器,它是一种串联调整式稳压器,它将调整、输出和反馈取样等电路集成在一起形成单一元件,只有输入、输出和公共接地3个引出端,通过外接少量元器件即可实现稳压。
(由于本次设计旨在模拟车载酒精检测系统的实现过程,处于便捷性考虑采用了220V电网电压。
)
3.3酒精检测电路
3.3.1酒精传感器工作原理
MQ-3气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-3气体传感器灵敏度高,并且响应和恢复快速,可用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测,也可用于其他场所乙醇蒸气的检测。
传感器表面电阻Rs的变化,是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL出面获得的。
二者之间的关系表述为:
Rs/RL=VC-VRL/VRL(式3.1)
其中,VC为回路电压10V。
负载电阻RL可调为0.5-200k,加热电压Vh为5V。
上述这些参数使得传感器输出电压为0-5V。
为了使测量的精度达到最高,误差最小,需要找到合适的温度,一般在测量前需要将传感器预热5分钟。
在正常环境中,即:
没有被测气体的环境,设定传感器输出电压值为参考电压,这时,AOUT端的电压在1V左右,当传感器检测到被测气体时,电压每升高0.1V,实际被测气体的浓度增加20ppm(简单的说:
1ppm=1mg/kg=1mg/L=1×10-6常用来表示气体浓度,或者溶液浓度),根据这个参数就可以在单片机里面将测得的模拟量电压值转换为浓度值。
传感器电路如图3.3所示:
图3.3酒精检测接口
3.3.2MQ-3传感器特点
1.具有信号输出指示。
2.双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出)
3.TTL输出有效信号为低电平。
(当输出低电平时信号灯亮,可直接接单片机)
4.模拟量输出0~5V电压,浓度越高电压越高。
5.对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性。
6.具有长期的使用寿命和可靠的稳定性
7.快速的响应恢复特性
3.3.3MQ-3传感器特性参数
l、回路电压:
(
)5-24V
2、取样电阻:
(RL)0.5-20KΩ
3、加热电压:
(VH)5±0.1V
4、加热功率:
(P)约750mW
5、灵敏度:
R0(air)/RS(100ppmC2H5OH)>5
6、响应时间:
<10秒
7、恢复时间:
<30秒
3.4复位电路
在单片机系统里,需要复位电路。
复位电路可以采用R-C复位电路,也可以采用复位芯片实现复位电路,R-C复位电路具有经济性,但可靠性不高,用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性。
本次设计采用R-C复位电路。
如图3.4所示:
图3.4复位电路
3.5键盘输入电路
键盘输入电路主要是用来输入数据,修改参数,从而实现人机交互。
MSP430G2553的P1、P2口除了支持输入、输出以外,还支持硬件中断。
非常适合实现基于中断的键盘输入响应程序。
该仪器采用了4按键,分别为修改键、移位键、加一键、确定键。
即P1.0~P1.3定义为输入口。
基于对系统低功耗要求的考虑,键盘输入响应程序应设计为中断方式运行。
中国地域广大,饮酒文化和各地区居民身体体质均呈现多元化的特性。
为了适应这种多元化的需求,可以按“设置键”来更改酒精浓度报警阀值。
确认键有两个用途:
一是更改阀值后按下,另一个是充当报警以后的复位,以便进行下一次的测量。
键盘的电路图如图3.5所示。
图3.5键盘输入电路
键盘输入电路中只要有按键按下就可以被扫描到,但是按键按下时有一定的时间抖动,因此一定要考虑键盘的抖动处理。
3.6LCD显示电路
系统的显示电路采用的是NOKIA5110液晶显示方式,该模块使系统具备更强的人机交互性,更能直观地捕捉到酒精浓度的动态变化。
同时,让整个系统显得更为人性化、智能化。
电路如图3.6所示:
图3.6显示屏接口
该模块具有以下特点:
●84x48的点阵LCD,可以显示4行汉字;
●采用串行接口与主处理器进行通信,接口信号线数量大幅度减少,包括电源和地在内的信号线仅有9条。
支持多种串行通信协议(如AVR单片机的SPI、MCS51的串口模式等),传输速率高达4Mbps,可全速写入显示数据,无等待时间。
●可通过导电胶连接模块与印制版,而不用连接电缆,用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上,因而非常便于安装和更换。
●LCD控制器/驱动器芯片已绑定到LCD晶片上,模块的体积很小。
●采用低电压供电,正常显示时的工作电流在200μA以下,且具有掉电模式。
本模块选用Nokia5110液晶基于以下理由[16]:
1)性价比高,LCD1602可以显示32个字符,而Nokia5110可以显示15个汉字,30个字符。
Nokia5110裸屏仅8.8元,LCD1602一般15元左右,LCD12864一般50~70元。
2)接口简单,仅四根I/O线即可驱动,LCD1602需11根I/O线,LCD12864需12根。
3)速度快,是LCD12864的20倍,是LCD1602的40倍。
4)Nokia5110工作电压3.3V,正常显示时工作电流200uA以下,具有掉电模式,适合电池供电的便携式移动设备。
3.7语音报警电路
本次设计中语音报警模块采用的是ISD1760语音芯片[17]。
当酒精浓度检测正常时,扬声器将发出“平安是福,一路顺风”的语音提示;当当酒精浓度检测异常时,扬声器将发出“请注意,醉驾行车可能危急您的幸福与平安”的语音提示。
3.7.1ISD1700系列语音芯片的特点
语音系统是日常生活中不可或缺的一部分,ATM语音提示、公交车报站系统、语音门铃、电梯语音提示系统等随处可见。
本次设计采用的是ISD1760语音芯片。
ISD1700系列是华邦公司推出的单片优质语音录放芯片,提供20秒~240秒可选的录放音时间,具有音质较好、简单易用、外围电路简单等特点,是开发语音系统的上佳选择。
ISD1700系列芯片工作原理图如图3.7所示,芯片内部包括:
麦克风前置扩大器、自动增益控制、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。
图3.7语音芯片工作原理图
基于ISD1700系列芯片的录音电路使用十分方便,具有以下特点:
1)使用模拟处理存储方式,音频数据直接存储在固体存储器中,能提供更优质的语音再现;
2)电路断电后语音内容不会丢失,可保存一百年;
3)可录放音十万次;具有多种工作状态提示音;可处理多达255段以上信息等;
4)ISD1700支持独立模式或SPI模式器件集成了优质的的消息管理系统,使得芯片能够自动寻址各信息地址;
5)集成了一个片上振荡器,一个带自动增益控制的麦克风前置放大器,一个辅助模拟输入,抗混淆滤波器,多级擦除阵列,平滑滤波器,音量控制器等;
6)ISD1700系列语音芯片的工作电压范围宽,一般为2.4~5.5V,最高不能超过6V,工作电流为20mA可利用振荡电阻来自定义芯片的采样频率从而决定芯片的录放音音质。
3.7.2ISD1700系列语音芯片的按键操作
ISD1700系列语音芯片[18]的按键操作有:
1录音:
按住REC键不放,同时LED灯会亮起,此时对着MIC说话,说话内容就会录进ISD1700语音芯片里了。
录完一段后抬起此键,LED会同时熄灭,再次按下则开始录第二段,以后的各段依次操作。
2放音:
有两种方式,边沿触发和电平触发。
(注:
录完音后放音指针会停留在最后录完段的起始地址处,此时放音则放最后一段)
A)边沿触发:
点按一下PLAY键即放当前段,放音期间LED闪烁直到放音结束时熄灭。
放音结束后放音指针指向刚放的段的起始地址处,即再次点按PLAY键还会放刚放完的这段。
B)电平触发:
常按PLAY键芯片会把所有的语音信息全部播放,且循环直到松开此按键。
3下一首:
执行放音操作前,点按一下FWD键放音指针会指向下一段,按两下则指向此段后的第二段起始。
放音期间点按此键则停止播放当前段接着播放下一段,如果当前播放的是最后一段,则停止播放最后一段播放第一段。
4擦除:
按下ERA键可对语音信息进行擦除,单段擦除操作只能对第一段和最后一段有效,当放音指针位于第一段或最后一段时,点按此键则会擦除第一段或最后一段。
放音指针相应的会跳到擦除前的第二
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