基于多传感器的酒后驾驶测控系统
2011-01-15朱一多
朱一多
(武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065)
0 前言
随着我国经济的腾飞和交通行业的发展,汽车越来越广泛的进入到千家万户,随之带来的酒后驾驶已成为交通事故最主要的原因之一。为了避免交通悲剧的发生,一种有效的提醒民众、防止酒后驾驶系统的出现就成为现实的迫切需要。酒后驾驶测控系统可以有效的对驾驶员饮酒状况进行检测,从而提醒驾驶员和控制发动机功能,可以有效的减少酒后驾驶的危害。
1 系统总体结构
酒后驾驶测控系统由各种传感器、模数转换器、单片机、显示器件(数码管)、声光报警器件(发光管、蜂鸣器)等组成。该系统的物理结构如图1所示:
图1 酒后驾驶测控系统总体结构图
酒精传感器将检测到的酒精浓度转化为电信号,然后将电信号传送给模数转换器,模数转换器将转换后得到的数字信号传给单片机,单片机对所输入的数字信号进行分析处理,最后将分析处理的结果通过数码管显示出来。由于酒精传感器的精度受到温度和湿度的影响,故需要温湿度传感器对温湿度进行测量,测量结果为数字信号,可直接输入单片机对酒精测量结果进行修正。
国家质量监督检验检疫总局发布的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》国家标准(GB19522-2004)规定:驾驶人员血液中的酒精含量大于(等于)20毫克/100毫升、小于80毫克/100毫升的行为属于饮酒驾车,含量大于(等于)80毫克/100毫升的行为属于醉酒驾车。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量是成正比的。单片机可据此分别进行相应处理:若测量结果不属于饮酒驾车,则绿灯亮;属于饮酒驾车,则黄灯亮,蜂鸣器发出短报警声,通过继电器控制发动机停止运行;属于醉酒驾车,则红灯亮,蜂鸣器发出长报警声,发动机停止运行。
2 系统的硬件设计
2.1 酒精传感器的选择
目前来说,对气体中酒精含量进行检测的设备主要有以下几种类型:燃料电池型(电化学型)、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。燃料电池型酒精传感器效果最好,但是成本较高。下面主要介绍半导体型传感器。
半导体型采用氧化锡半导体作为传感元件,这类半导体器件具有气敏特性,当接触的气体中其敏感的气体浓度增加,它对外呈现的电阻值就降低,半导体型呼气式酒精测试仪就是利用这个原理做成的。这种半导体在不同温度工作时,对不同气体敏感程度是不同的,因此半导体型呼气酒精测试仪一般都采用加热元件,把传感器加热到一定的温度,在该温度下,传感器对酒精具有最高的灵敏度。本系统用到的半导体型酒精传感器有MQ303和MQ-3两种,测量结果的均值采纳为最终酒精浓度。MQ303及其测试电路和MQ-3及其测试电路分别如图2和图3所示。
图2 MQ303及其测试电路
图3 MQ-3及其测试电路
2.2 温湿度传感器选择
温湿度传感器用于向单片机提供系统当前的温度和湿度,以便对酒精传感器测量结果进行修正。本系统选用SHT10测量温湿度,SHT10及其应用电路如图4所示。
图4 SHT10及其应用电路
2.3 模数转换器(AD)的选择
模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量,是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。对于本系统而言,就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码,将其转换成单片机所能够处理的数字量。
本系统采用ADC0809完成模数转换的功能,ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
2.4 单片机的选择
本系统采用AT89S52单片机对系统进行控制,AT89S52是低功耗、高性能、采用 CMOS工艺的8位单片机,其片内具有8KB的可在线编程的Flash存储器。该单片机采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术,与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容;片内的Flash存储器可在线重新编程,或者使用通用的非易失性存储器编程;通用的8位CPU与在线可编程Flash集成在一块芯片上,从而使AT89S52功能更加完善,应用更加灵活;具有较高的性能价格比,使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。
2.5 系统整体硬件原理
本文用电路图来表示系统整体硬件原理,如图5所示(传感器电路略去,直接用电压电路代替,汽车发动机用步进电机模拟)。
图5 系统硬件原理图
3 系统的软件设计
系统的软件包括对ADC0809两个通道的数据循环读入,对温湿度传感器数据的接收,对数码管实时显示的控制,对步进电机、发光二极管、蜂鸣器的控制等。
4 结论
本系统在实验室选择了若干组已知浓度的含酒精气体进行测试,误差均在正常范围内。在室外测试部分,被测者饮用二两白酒后,对标准取样瓶进行呼气,平衡后测量,4小时之内均可测出酒精的存在。系统还可以继续改进,在现有传感器的基础上,可以增加测量驾驶员心跳、汗液等的传感器,以便对驾驶员的饮酒状况进行更精确的判断。显示器件也可以换成液晶显示器,以便向检测者提供更多的信息。蜂鸣器可以换成语音芯片,以便使系统更加人性化。
[1]Simon I,Barsan N,Bauer M,et al.Micomachined Metal OxideGas Sensors:Opportunities to Improve Sensor Performance[J].Sensor and Actuators B,2001,73.
[2]McCammon.K.Alcohol- Related Motor Vehicle Crashes:Deter- rence and Intervention[J].Ann Emer Med,2001,38(14).
[3]林吉申,黄文风,武建珊.手持式乙醇测试仪的研制[J].传感器技术,2000,(2).
[4]刘丰年.气体传感器测试系统[D].哈尔滨理工大学,2003.
[5]何立民.单片机高级教程应用与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.