車(chē)載酒精探測控制儀設計(圖)

作者：中國石油大學(xué)（華東） 崔海朋 　日期：2009-3-13

酒后駕車(chē)容易發(fā)生交通事故，為了減少或杜絕這種現象，通常是采用呼氣酒精測試儀對駕駛人員進(jìn)行現場(chǎng)檢測，以確定駕駛人員是否飲酒。目前，市場(chǎng)上警用酒精測試儀種類(lèi)繁多、功能強大、靈敏度高，但是由于它沒(méi)有安裝在汽車(chē)內部，只能由交警人員來(lái)實(shí)施，因此并不能從根本上杜絕酒后駕車(chē)，酒后駕車(chē)事件仍時(shí)有發(fā)生。


本文提出了一種基于MSP430單片機的超低功耗酒精探測控制儀，該儀器安裝在汽車(chē)內，當駕駛人員進(jìn)入駕駛室后，可以自動(dòng)對酒精濃度進(jìn)行探測，以確保行車(chē)的安全。系統可以根據檢測到的酒精含量是否超標控制汽車(chē)點(diǎn)火器打開(kāi)或者關(guān)閉，如果超標，則駕駛人員無(wú)法啟動(dòng)汽車(chē)，因此從根本上杜絕了酒后駕車(chē)的出現。該系統具有性?xún)r(jià)比高，智能化程度高，工作穩定可靠的優(yōu)點(diǎn)。

系統工作原理
系統采用超高靈敏度酒精傳感器，超低功耗單片機系統，自動(dòng)探測酒精濃度的方法，可以防止駕駛人員逃避檢測，以判斷駕駛員是否是酒后開(kāi)車(chē)，系統總體設計如圖1所示。該系統可放置在汽車(chē)儀表盤(pán)位置，當司機發(fā)動(dòng)汽車(chē)時(shí)，探測控制儀啟動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機處于被鎖狀態(tài)，汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)。酒精傳感器加熱后，探測控制儀對酒精傳感器探測的氣體信號進(jìn)行檢測。由于酒精含量與酒精傳感器檢測后產(chǎn)生的電壓信號成特定的比例關(guān)系，因而可根據電壓信號進(jìn)行酒精含量的判斷。檢測到的信號經(jīng)過(guò)放大和濾波之后，通過(guò)單片機內置的12位ADC轉換為數字信號，由單片機對此信號進(jìn)行處理判斷，假設酒精含量沒(méi)有超標，LCD顯示屏幕顯示當前酒精濃度，同時(shí)正常指示燈亮起，控制繼電器不起作用，汽車(chē)隨之啟動(dòng)；反之，則進(jìn)行聲光報警，控制繼電器切斷點(diǎn)火裝置電源，駕駛人員無(wú)法啟動(dòng)汽車(chē)，從根本上實(shí)現控制酒后駕車(chē)。汽車(chē)啟動(dòng)后，控制儀隨即進(jìn)入低功耗狀態(tài)，只有酒精濃度探測電路一直工作，一旦駕駛人員駕駛過(guò)程中飲酒，控制儀立即恢復到正常工作狀態(tài)。



圖1 系統總體結構

系統硬件設計
1 主控電路設計
本控制儀采用了美國德州儀器公司推出的16位超低功耗、高性能MSP430單片機系列中的MSP430FG4619。它在活動(dòng)模式時(shí)僅350μA，口線(xiàn)輸入漏電流最大50nA；它的高度集成不但大大降低了故障率，而且在成本、體積、穩定性方面都有明顯優(yōu)勢。


酒精探測控制儀系統中MSP430FG4619用來(lái)判斷氣體中的酒精含量，控制整個(gè)控制儀的工作。系統主控電路如圖2所示，包含晶振電路、復位電路和JTAG接口電路等。


2 酒精檢測電路
酒精檢測電路由高精度酒精傳感器、信號調理放大電路、濾波電路和單片機內置12位ADC等組成，如圖3所示。主要功能是檢測酒精含量，判斷其是否超標。



圖2 系統主控電路示意圖


酒精傳感器采用旁熱型半導體式酒精氣敏元件MQ3，它對乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性，快速的響應恢復，長(cháng)期的壽命和可靠的穩定性，探測范圍為10～1000ppm，尤其適用于酒后駕駛人員的檢測。
信號調理放大電路前級采用美信公司生產(chǎn)的高精密運放MAX4238來(lái)實(shí)現，它具有1pA的偏置電流，2μV的偏置電壓，超低溫漂，良好的性能。后級放大采用常用的OP07C運算放大來(lái)實(shí)現，濾波芯片采用美信公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電容型引腳可編程集成濾波器MAX266來(lái)實(shí)現，具有比普通RC濾波電路更優(yōu)異的性能。


A/D轉換采用MSP430FG4619IPZ自帶的12位、最大速率為200KSPS的ADC，它的電壓基準可以選擇為內部基準或者外部基準，節省了外部ADC芯片，大大簡(jiǎn)化了硬件的設計，同時(shí)可以滿(mǎn)足精度的要求，因此非常適合于本系統的設計。



圖3 酒精檢測電路圖


3 指示燈和液晶顯示電路
指示燈電路有紅綠黃三個(gè)指示燈，紅燈是電源指示燈，工作時(shí)亮；綠燈是檢測提示燈，因為酒精探頭需要一定時(shí)間加熱，才能達到理想的靈敏度，加熱時(shí)間到，綠燈亮，表示可以進(jìn)行濃度探測；黃燈為報警指示燈,黃燈不亮，表示可以行車(chē)；當黃燈亮時(shí)，表示酒精濃度超標，不可以駕駛，同時(shí)黃燈閃爍的頻率越高，酒精濃度越高。


液晶顯示電路用來(lái)顯示測定得到的酒精的濃度。液晶顯示電路采用LCM128645ZK，這是一款低功耗的點(diǎn)陣圖形式LCD，可以工作在3.3V供電的情況下，顯示格式為128（列）×64（行），具有多功能指令，內部帶有中文字庫，既可以工作于串行方式又可以工作于并行方式，很容易與16位的單片機相連。本系統中與單片機的連接采用并行工作模式，如圖4所示。



圖4 鍵盤(pán)顯示和指示燈電路圖


4 繼電器控制電路
本電路受單片機P2.4控制，相當于開(kāi)關(guān)，控制點(diǎn)火裝置的打開(kāi)和關(guān)閉、車(chē)燈的亮滅和喇叭的響與不響。是系統中非常重要的執行單元。電路簡(jiǎn)單，由于篇幅原因，這里不給出。


5 報警和鍵盤(pán)電路
利用蜂鳴器作為報警器，當酒精含量超標時(shí)，發(fā)出禁止行車(chē)警告音；不超標時(shí)，發(fā)出允許行車(chē)提示音。由P1.7驅動(dòng)蜂鳴器來(lái)實(shí)現。


因為單片機有足夠多的I/O引腳，因此系統的鍵盤(pán)電路采用獨立式鍵盤(pán)，如圖4所示。采用中斷的方式工作，可以設定酒精探測控制儀的系統參數，比如設定的報警的酒精濃度等。


6 其他電路
JTAG接口電路用于調試程序，以及系統軟件的升級。電源轉換電路用于將車(chē)上的供電系統轉換為單片機以及系統所用的到的芯片所需的電壓。監控復位電路用于保證單片機處于良好的運行狀態(tài)，防止受到干擾導致程序跑飛，比內部看門(mén)狗電路更可靠。


通過(guò)以上設計，系統前端就可以把酒精傳感器檢測到的酒精含量信號經(jīng)單片機判斷后產(chǎn)生相應的控制信號以控制汽車(chē)點(diǎn)火電路，從而實(shí)現對酒后駕車(chē)的有效控制。



圖5 控制儀主程序流程圖

軟件設計
軟件部分根據系統功能進(jìn)行模塊化編程?？刂苾x主程序流程圖如圖5所示，實(shí)現酒精含量檢測、酒精含量是否超標判別、酒精含量顯示、聲光報警等功能。系統初始化后，對酒精傳感器進(jìn)行加熱，自動(dòng)進(jìn)入測量狀態(tài)，然后采集酒精含量電壓信號，與設定的精度濃度進(jìn)行比較，如果高于這個(gè)濃度，則顯示該濃度，并進(jìn)行聲光報警，同時(shí)切斷點(diǎn)火電路，駕駛人員不能發(fā)動(dòng)汽車(chē)；如果低于這個(gè)濃度，則顯示所測的濃度，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。

結語(yǔ)
車(chē)載酒精探測儀是為預防交通事故發(fā)生情況而設計的。本文通過(guò)對各個(gè)電路功能及軟件工作流程的闡述，對整個(gè)設計進(jìn)行了介紹。由于本系統安裝在汽車(chē)上，自動(dòng)測量、智能化程度高、功耗低，對預防酒后駕車(chē)具有很好的效果，在實(shí)際應用中具有很好的推廣價(jià)值。