《多功能酒駕監(jiān)測系統(tǒng)的設計》8000字（論文）

第1章引言1.1課題研究背景及意義近年來，隨著經濟的發(fā)展和人民的物質水平的提高，個人的私家車越來越多，酒后駕車所造成的事故也越來越多?，F(xiàn)行《道路交通安全法》中，對醉酒駕車構成嚴重交通事故，要對其進行刑事處罰，并被交警部門吊銷機動車駕駛證，終生不得重新取得機動車駕駛證。醉駕是一種違法行為，它不僅給他人造成了傷害，同時還對道路安全帶來嚴重威脅。因此為了防止醉酒駕車事故發(fā)生，需要加強醉駕人的教育培訓工作，提高其安全意識，并且通過科學有效的方法進行控制管理，以保障廣大人民群眾生命財產安全。由于越來越多的人開始重視酒后駕車，所以關于酒后駕車的研究也越來越受到重視。醉酒駕駛引起的交通事故是一種常見的車禍，主要是因為駕駛員過度的飲酒會導致體內的乙醇含量升高，從而導致神經系統(tǒng)麻痹，使得身體無法自主，致使大腦的反應和四肢失去知覺。本文所研制的大氣乙醇含量監(jiān)控系統(tǒng)采用了氣體傳感器和微處理器，對空氣里的酒精含量進行監(jiān)控，并配有液晶顯示器。這就要求研制一種可以監(jiān)控司機身體中的酒精濃度的智能化儀表。本文所研制的一臺以氣體敏感元件、微處理器為核心，對室內空氣中的乙醇含量進行實時監(jiān)控，同時具備聲音警報、液晶顯示器等多種功能。它可以檢測周圍的空氣和呼出的酒精含量，并設置相應的閥門，通過聲音警報在一定程度上提醒危險。本課題的研究主要是設計一套能有效監(jiān)測車輛內部空氣密度、氣味以及溫度變化的智能報警裝置，特別適合于高速公路道路運輸管理部門使用。因此實現(xiàn)了下列目標：(1)為保障公眾出行提供便利；(2)增強民眾的法制觀念；(3)使其使用方便安全，準確高效，便于推廣家用乙醇檢測。1.2國內外研究現(xiàn)狀目前，全球應用最廣泛的是電化學特性檢測器。酒精檢測器按其表現(xiàn)形式可分為兩類：一類是用熒光管進行檢測。LED發(fā)光管最常用的是三個部分，即：第一個區(qū)域是未飲酒區(qū)域，其次是飲酒區(qū)，酗酒區(qū)是最后一個區(qū)域。并且每一段都有一個不同顏色的LCD1602燈，根據(jù)測試的結果，來點亮對應那一段的LCD1602指示燈。另外一種酒精測試機是以LCD顯式，將測試的數(shù)據(jù)以數(shù)值的方式進行展示。最近兩年，一種新的半導體酒精檢測器誕生了，這種儀器具有高可靠性、高精度、可呼吸等優(yōu)點。其關鍵部分是高技術的微型變氧化硅，能夠精確地測量出氣體中的酒精濃度，并且不會受到煙味、可樂、咖啡等非乙醇氣體的影響。ca2000因其體積小、重量輕、易于使用而成為便攜式的首選。如果駕駛員是喝酒狀態(tài)下開車的，他的呼吸中肯定會釋放出乙醇，因此，交警會大量地采用手提式的乙醇檢測器?，F(xiàn)在的酒精檢測器，只是對司機有沒有酒后駕車的初步判定，最終還是要靠驗血來判定司機有沒有酒后駕車。英國內務部已經引進了一種新型的酒精呼吸器，以便于測試。該儀器不但能通過駕駛員身體中的酒精濃度來判定駕駛員的酒后駕車行為，還能通過體溫、呼吸頻率等諸多方面的信息來判定駕駛員是否酒后駕車。隨著20世紀科技的迅速發(fā)展，傳感器技術得到了迅速的發(fā)展，它的使用領域也在不斷擴大。所以，乙醇含量檢測儀器必須朝著高準確率、高可靠、高穩(wěn)定、小型化發(fā)展。隨著我國加入WTO,國內市場對酒精含量檢測儀需求迅速增長。目前國內有許多廠家生產和銷售了大量的乙醇含量檢測儀，并在一些地區(qū)進行試點推廣工作。迄今為止，對乙醇氣體進行測量的儀器有五大類，即：電化學、氣體色譜、比色法、半導體法和紅外法。在這些型號中，燃料電池和半導體式的乙醇檢測器都比較廉價，也比較容易操作。因此，這兩種檢測方法被廣泛應用。對環(huán)境友好的能量燃料電池能夠將易燃的氣體轉化成電力，而且沒有任何的環(huán)境污染，因此受到了全球范圍內的普遍重視。乙醇感應器僅僅是一個小型的燃料電池的小部件。于是，就有了這種燃料電池式的乙醇感應器，其基本思想是：以貴金為電極，在燃燒室里點燃乙醇，同時采用特殊的催化劑，將乙醇完全點燃。轉化為電力，即在兩個電極上形成一個電壓，這個電壓直接與燃燒室中的燃氣的酒精含量呈比例關系，而在外面則利用進入負荷來消耗電力。與半導體式乙醇含量檢測器比較，燃燒型乙醇檢測儀特點是：1)良好的穩(wěn)定性能2)高準確率3)具有較高的抗干擾性的優(yōu)勢不過，這種乙醇傳感器也有一個很大的缺陷，那就是它對傳感器的結構和制作都有很高的要求。因此，現(xiàn)在只有美國、英國、德國等幾個發(fā)達國家，才有可能生產出這種乙醇傳感器，而且成本也很高，比普通的乙醇傳感器要高出好幾個檔次。因此人們最常用的仍然是半導體式的乙醇感應器。目前，在美國已經有了專門生產這種傳感器的公司。在日本，它的生產量還占世界總產量的1/3左右。在我國，也正在研究開發(fā)這種新型乙醇傳感器。1.3課題研究思路隨著MCU技術的迅速發(fā)展和不斷的成熟，MCU是一種日益普及的技術，并被廣泛地運用到了各行各業(yè)。與其它技術比較，無論是從智能監(jiān)控還是監(jiān)控上，都有很大的優(yōu)勢。本文采用STM32單片機及乙醇含量傳感器，實現(xiàn)了對空氣內酒精含量的實時監(jiān)控，LCD1602系統(tǒng)中顯示檢測結果。最后對超出該范圍的氣體進行聲光警報。它能探測到人的呼吸和周圍的空氣中的酒精含量，當濃度超過我們所設的臨界點時，就會發(fā)出聲音和燈光，并可以根據(jù)需要和周圍的情況來調整設置。并且可以用按鍵來進行更改，十分的簡單和快速。該系統(tǒng)采用MQ-3型乙醇傳感器進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的信息轉化為電子信號，并將其傳輸至STM32微控制器，STM32芯片內置了A/D變換器，將其轉化為數(shù)字信息，由STM32芯片進行分析和處理，最終將其轉化為乙醇的含量，并將其轉化為酒精的濃度數(shù)值。該軟件在編程時設定了一個閥，用于在被測氣體中的酒精含量超過該閾值時，通過單片時機和喇叭的聲音來達到聲光的警報。本實用新型利用單片機技術對酒精成分進行檢測，實現(xiàn)自動監(jiān)控；同時也可以作為遠程智能控制設備使用，從而降低勞動強度，并且還具有良好的擴展性以及智能化功能?？傊?，本文的研究思路是：利用空氣中的乙醇含量作為感知量，通過傳感器對其進行檢測，并通過A/D變換將其轉化為數(shù)值，從而實現(xiàn)對空氣中乙醇含量的檢測。當濃度超過閾值時，會發(fā)出聲音和燈光警報。通過實驗驗證其具有很高的準確性，能滿足實際應用需求。第2章系統(tǒng)方案設計2.1技術指標中國大陸地區(qū)血液中酒精濃度（BAC）與呼氣酒精濃度（BrAC）的比值采用2200，即兩種單位之間的換算關系為BAC=BrAC*2200。判斷是否酒駕以及醉駕的標準如表2-1所示：表2-1是否構成酒駕或醉駕參考標準行為類別血液酒精含量（BAC）呼氣酒精含量（BrAC）飲酒駕車0.2g/L-0.8g/L0.0909mg/L-0.3636mg/L醉酒駕車>0.8g/L>0.3636mg/L報警濃度0.5g/L0.24mg/L根據(jù)酒精氣體濃度檢測儀的測量結果，來看結果是落在哪個區(qū)域，從而判斷駕駛員是否酒駕。同時判斷是否報警。2.2總體設計方案總體設計方案如圖2-1所示，由MQ-3酒精氣體傳感器負責采集數(shù)據(jù)，采集的信號通過調理電路處理后，再輸入給單片機，單片機內嵌的A/D轉換模塊對其進行轉換，轉換后變成數(shù)字信號，然后單片機再對數(shù)字信號進行分析處理轉換成酒精濃度值，再通過顯示屏將濃度值顯示出來。同時將酒精濃度值與閥值進行比較，對于超過閥值的進行聲光報警。單片機信號調理模塊酒精氣體傳感器聲光報警模塊單片機信號調理模塊酒精氣體傳感器聲光報警模塊液晶顯示模塊液晶顯示模塊圖2-1總體設計方案框架圖第3章硬件電路設計3.1元器件選擇3.1.1酒精氣體傳感器1)MQ-3傳感器工作原理在MQ-3型酒精氣體傳感元件中，二氧化錫是一種新型的氣體靈敏元件。其導電性與乙醇濃度有關，且隨乙醇濃度的增大而增大。當酒精的含量越高，其輸出的電壓也就越高。利用一個簡單的外部線路，可以根據(jù)電壓值的改變而顯示電導的改變，這個電壓值與乙醇的濃度值相應，并與預定的閥門數(shù)值進行對比，若高于這個數(shù)值，則發(fā)出警報。由于該傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高等優(yōu)點，因而在各種工業(yè)領域得到廣泛應用，特別是對一些需要高精度測量和控制的場合。MQ-3A酒精傳感器是一款可連續(xù)工作20小時以上且無需任何電源即可使用的產品。2)傳感器的管腳分布及外形MQ-3型乙醇氣體傳感器包括：(1)二氧化硅靈敏層(2)AL2O3微型陶瓷管件(3)加熱裝置(4)構成敏感原件的測量電極因為感應器需要在工作之前進行預熱，因此其內置了一個加熱器，用于對感應器進行加熱。密封的MQ-3型酒精氣體感應器有6根引腳，4個探頭可以讀出訊號，還有2個引腳可以為感應器供電。MQ-3的插針配置見圖3-1，其中A和B分別用于讀出；通過兩根具有30歐姆阻值的f管來供應加熱的電流，使其在通過時發(fā)熱。MQ-3管腳的配置見表3-2。圖3-1MQ-3的引腳圖3-2MQ-3傳感器實物圖3)MQ-3型氣敏元件特性研究(1)高敏感度(2)迅速反應的復原特征(3)長期的使用(4)安全、穩(wěn)定(5)傳動線路簡化(6)能夠抵御其它氣體的擾動(7)帶有一個輸出的表示在傳感器中，空氣敏感電阻器的阻抗是由乙醇的濃度決定的。Rs是MQ-3酒精傳感器的輸出阻值，其值隨著氣體和濃度的不同而發(fā)生改變；R0為清潔的空氣中MQ-3型乙醇氣體傳感器的電阻。由該表可知，Rs/R0與乙醇的含量呈一定的相關，Vs/V0與Rs、V0與R0均呈一定比例，因此Vs/V0=Rs/R0，Vs/V0與乙醇的含量是相同的。3.1.2STM32單片機介紹MCU最少的控制必須能夠保證MCU的運行和運行功能的發(fā)揮。這是一臺小型計算機設備擁有的明顯大腦，控制核心。同時，該系統(tǒng)還具有一定的輸出裝置和定時裝置，可以充當時間的控制中心和接口，將全部功能集成到一個小型的芯片上，即MCU。當然，目前MCU的發(fā)展也很成熟，讓我們來了解一下它的工作原理。在圖3-3中可以看到。圖3-3單片機最小系統(tǒng)框單片微型計算機也稱為單片微型計算機。經常被用來進行控制。這是一個非常重要的環(huán)節(jié)。在我們的工作中，經常使用它來進行管理。單片微型處理器采用了一個內建的單個晶片。其主要部件為CPU、IO口、記憶體。我們只使用對應的編碼機燒寫程序來對外圍裝置進行操作。選擇STM32C8T6作為主要控制單元，并對其進行了選擇。STM32是一款具有低壓、高精度的微型處理器和高速可擦除的芯片。這很容易，很容易上手。它被廣泛地用于醫(yī)院、工廠、實時控制、停車場、計算機外圍設備、通訊設備等方面。為了達到該系統(tǒng)的作用，需要通過與線路或者外界的功能進行通信。在這種情況下，要用引腳把兩者相連，以實現(xiàn)互連，把微處理器的外部特征表現(xiàn)成整體。由于技術的進步，對微控制器的大小和形狀有更高的需求，很多學者都建議有多種引腳可以在同一時間內實現(xiàn)，也可以用于多種功能。本文所選用的微處理器為STM32F103C8T6。這款微處理器的性能比51型處理器要好得多，不僅運算能力更強，而且還具備兩個AD變換器，省去了在制造煙霧和CO的過程需要加上ADC轉換，十分的簡單方便。STM32通訊與控制的能力十分強。這是51微處理器所不能及的。由于51單片機僅使用1個串行接口，32MCU包含5個串行接口，因此對于某些需要使用USB接口進行通訊的組件來說，并不是像CD4052那樣的雙端口來實現(xiàn)的，32MCU由于自身能夠實現(xiàn)多個時鐘模組的功能，因此在功率消耗高的行業(yè)中占據(jù)了一席之地。STM32的特性：1.STM32C8T6的晶振元件使用RTC2.48個管腳。3.72MHZ的操作頻率。4.本系統(tǒng)采用常規(guī)定時裝置3臺，先進定時裝置1臺。5.PLC采用2個2比特/16路ADCADC/D變換器.6.PLC采用3.3V的電壓穩(wěn)定晶片，最大輸出功率為300MA。7.匹配ST-LINK和JTAG的debug下載.8.儲存的資源是64kbyteFLASH和20byteSram。STM32103的內核是ARMCortex-M3，針對高性能、低成本、低功耗的特點，提出了基于ARMCortex-M3的方案。它的\o""時\o""鐘\o""速\o""度\o""可\o""以達到700MHz，是同類中的佼佼者；內置32K至128K的\o""Flash內\o""存，F(xiàn)lash編碼，STM32功率消耗36mA，是目前市面上32bit中功率最低的一款，約為0.5mA/MHz。STM32具有4個p端口；SPI-NSS芯片選擇，啟用。SPI-MISO資料數(shù)據(jù)的輸出；SPI-SCK時鐘線路；SPI-MOSI數(shù)據(jù)的錄入。STM32微處理器復位：復位回路是使整個系統(tǒng)回到最初的位置，而MCU的復位方法有多種：上電復位，系統(tǒng)復位，備份區(qū)復位.上電重新設置：當系統(tǒng)通電、斷電和系統(tǒng)從后備中復原時，就會發(fā)生。除了備用區(qū)寄存器之外，可以重新設置所有的注冊。如果有以下兩種情形發(fā)生，則重新設置一個體系：1.NRST管腳（外重置）的低電平（從外重置）2.WWDG重置窗監(jiān)視次數(shù)結束（WWDG重置）3.結束單獨的監(jiān)視器計數(shù)（IWDG重置）4.軟件重置（SW重置）5.降低功率消耗的重新設置STM32微控制器振動：第一，STM32沒有內置的晶體振子，它是一個內置的RC振蕩器。HSI中8MHzRC振蕩器的誤差約為1%，而RC型RC振蕩器的準確率往往是HSE（HSE）的10多倍。沒有什么優(yōu)點和劣勢，主要取決于使用情況，不需要太多的時間，也可以使用HSI，但是在使用HSI的時候，系統(tǒng)的最高時鐘不能達到72MHz。STM32中的ISP使用的是內置RC的（HSI）。3.2主要功能模塊電路圖3.2.1電源電路設計該系統(tǒng)由5VDC供電，包括3腳電源子座，6根腳電源開關。該電源插座是為了與外界的電源插座相連通，而該電源插座則是為了對整個MCU的開閉進行控制。供電底座的2個引腳都是接地的，3個引腳只是為了保持固定作用供電，并無特別的用途，1引腳與功率開關的3個引腳相連，而1引腳和4引腳和6引腳的功能是一樣的，以供供電的正極。電源開關的二、五端口引腳是單片機接地引腳，在使用中采用相對選擇，即選一個或三個口引腳為輸出，然后應選擇五口引腳為接地引腳，四、六引腳為輸出端口，2口引腳又用作接地引腳。因為單片機本身就屬于低壓器件，如果直接給它輸入高壓會對其造成很大的損壞，因此需要通過降壓電路來降低單片機的工作電壓，使其能正常工作。此次單片機中傳感器及無線傳輸芯片電壓均為5V以內，因此，5V電壓就夠了。若需要對這些傳感器進行供電，可采用降壓模塊或高壓轉換模塊。如有12V等電壓傳感器，然后可采用升壓模塊升壓5V至較高電壓供電。本設計電源電路見圖3-4：圖3-4電源電路設計3.2.2酒精傳感器電路設計傳感器及信號調理電路模塊設計如圖3-5所示，通過對5V的功率輸入，使其更精確地測定和最大的偏差，需要對其進行2min的加熱，然后進行測試。通過2引腳和5引腳來供電。如果周圍存在著乙醇的氣體，其導電性能會隨著周圍的酒精含量的變化而變化，隨著酒精的含量增加，其導電性能也隨之提高。因此，輸出的電壓會變得更大，并且信號經過電壓跟蹤，由B1管腳進入到MCU進行加工。加電位器我們可以進行校準，假設當酒精難度測量不準確我們可以通過旋轉電位器來調節(jié)酒精傳感器輸出的電壓值這樣我們就可以做到校準的作用。圖3-5傳感器及信號處理電路3.2.3聲光報警電路設計該系統(tǒng)采用了一種蜂鳴機和三極管組成的聲光報警器。市面上有大量的蜂鳴機類型，我們選用5V供電的蜂鳴機作為實際應用。我們有一點相關的小竅門。假如我們認為蜂鳴機的聲音不夠，就可以去掉其喇叭上面的紙張。蜂鳴機的線路是非常簡潔的。一頭連接三極管的引腳。三極管的主要作用是通過對電流和電平值進行放大，從而觸發(fā)蜂鳴機的警報信號，從而將電流的功率提高200次。在由單芯片提供的蜂鳴器的低電位下，三極管會使三極管上拉的電阻值以抑制其電流，避免其產生的電流擊破，進而達到防止三極管破裂的目的。最后，加上led燈當蜂鳴器報警的時候led指示燈也會自動亮起和蜂鳴器就形成了聲光報警電路，簡單實用。單片機的報警電路部分電路圖3-6所示。圖3-6聲光報警電路第4章軟件編程設計4.1軟件整體設計4.1.1整體設計方案該軟件程序主要實現(xiàn)了與系統(tǒng)的軟件相集成，以完成各種酒類的氣體濃度的探測。其軟件包括：數(shù)據(jù)的獲取、A/D變換、資料加工、資料展示、警報等。本課題采用了模塊性的方法，便于對系統(tǒng)進行修正和校驗。軟件模塊包括：數(shù)據(jù)采集、ADC變換與加工、警報、LCD1602等。下面的程序展示了如何呼叫這些子程序。主要程序版塊：開機以后，第一步是初始化模組，在乙醇含量測試面板中進行測定，并在讀取數(shù)歸零前進行測試。當檢測到酒精含量時，該儀器會將其顯示在屏幕上，同時判定該濃度是否高于該閾值，如果超出該閾值則會發(fā)出警報。4.1.2主程序流程圖在圖4-1中顯示了主要的流程，展示完整的系統(tǒng)運作。開始開始初始化初始化觸發(fā)A/D轉換觸發(fā)A/D轉換換算酒精濃度換算酒精濃度酒精濃度顯示酒精濃度顯示NN是否大于閥值是否大于閥值YY報警燈亮報警燈亮結束結束圖4-1主程序流程圖4.2數(shù)據(jù)采集模塊程序設計數(shù)據(jù)采集模塊的程序如下：第一步初始化，第二步開始測量濃度值，A/D設置為連續(xù)掃描模式，采集當前數(shù)據(jù)后，將模擬量傳送給單片機進行處理，在單片機內部ad配置引腳，然后初始化Adc_Init(void),ADC_DeInit；選取數(shù)據(jù)信道，GPIO_Mode=GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN；ADC_Cmd(ADC1,ENABLE)，用于仿真輸入管針；規(guī)定啟用管腳，ADC_ResetCalibration(ADC1)；重置校正，ADC_StartCalibration(ADC1)；接著執(zhí)行讀出的操作，u16Get_Adc_Average(u8ch,u8times)2個字節(jié)為16比特，進行一比特讀操作，將當前讀出的信息轉化為數(shù)字，并將其轉化為目前的電壓值。得出目前的乙醇含量。開始開始單片機配置引腳單片機配置引腳產生時鐘信號產生時鐘信號選擇數(shù)據(jù)選擇數(shù)據(jù)NN判斷AD是否轉換完畢判斷AD是否轉換完畢YY讀取字節(jié)讀取字節(jié)一位一位讀取數(shù)據(jù)一位一位讀取數(shù)據(jù)結束，計算當前電壓值結束，計算當前電壓值通過當前電壓，得到轉換數(shù)據(jù)，顯示當前酒精濃度通過當前電壓，得到轉換數(shù)據(jù)，顯示當前酒精濃度返回返回圖4-2數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖4.3液晶顯示模塊程序設計要使LCD屏幕正常工作，必須先寫指令控制，再把要顯示的資料寫下來。在這步驟之前需要先用指示來檢查LCD是不是正常的。工作時，要等到LCD顯示工作結束后，再把控制文字和資料數(shù)據(jù)寫出來。LCD1602LCD開機后，首先進行預設，清理螢幕中的畫面，并清理內存。再與單片機進行雙向通信，通過微機調整螢幕亮度及所需資訊數(shù)據(jù)，再經一次延遲，液晶螢幕便會呈現(xiàn)所測量之酒度。用單片機對寫入針的指示來顯示。接著，畫面就開始播放了。LCD1602表示在4-3中的有關過程：圖4-3液晶顯示模塊程序設計流程圖4.4報警模塊程序設計