基于51单片机的酒驾报警系统设计

侯思宁，崔财豪

(北京吉利学院汽车工程学院，北京 102202)

0 引言

在经济高速发展的前提下，物质比过去更为丰富。随着私家车在国内逐渐普及，交通事故率也在不断攀升，根据WHO的调查显示，交通事故约50%与酒后驾车有关，且死亡率很高，目前已成为交通事故的主要“罪犯”，酒精浓度检测和监测的普及可以在一定程度上降低交通事故率。为此本文作者使用STC89C51单片机和MQ-3酒精传感器设计出酒驾报警系统，利用不同浓度的酒精气体来改变敏感膜的电阻，将电阻变化转换为电压变化，并经由A/D转换芯片收集电压信息，由单片机计算并实时显示。通过按钮设置酒精驾驶和饮酒驾驶的限制值，当系统检测出的酒精浓度值超过界限值时，LED红灯闪亮，报警器响应，产生蜂鸣。

1 硬件的选取

国产STC的51单片机，因为其物美价廉、开发简单，在应用上与ATMEL公司无差别，并具有低功耗的、高性能的微处理器。而且该公司对器件做了一定的升级，不需要外接存储芯片来应对掉电情况。

显示器件使用液晶显示屏，型号是LCD1602，也叫做字符型液晶显示器。该器件可以显示字母和数字，或者也可以显示自定义字符。控制简单，和市面上大多数液晶显示器的控制原理完全相同。

MQ-3半导体酒精传感器。该装置所选用的气体检测材料是在空气中低导电率的二氧化锡。当酒精气体出现在空气中时，传感器的导电率与酒精浓度呈正相关。在简单计算之后，可以将导电率转换为相应的输出电信号。之所以选用该器件，是因为其对酒精具有相当高的灵敏度，而且最关键的是其抗干扰能力极高，可以避免汽油和水汽的干扰。该传感器在社会各个方面应用广泛，是经过实践认可的可靠器件。

A/D转换芯片，型号为ADC0832的器件，是NS公司生产的转换芯片。具有广泛兼容、性价比极高以及体积小等优点。

综上所述，选择了STC89C51作为该设计的主控芯片，通过LCD1602进行实时显示信息，采用半导体气敏传感器MQ-3对酒精气压的检测，并通过电路将酒精浓度引起的MQ-3内阻变化转变成电压变化后由ADC0832进行采集，系统能够根据采集到的酒精浓度信息与限值进行对比，如果超过限制系统会发出对应的警示，限值可由按键进行设置并具有掉电存储的功能。图1为系统方案平铺图，图2为系统运行顺序图。

图1 系统方案平铺

图2 系统方案顺序

2 单片机的介绍

单片机的最小系统，简而言之就是想让单片机运行和工作，一共需要几个元件。这几个元件，就叫做最小系统。以下就是51单片机运行的最小系统元件和作用：

(1)电源。电源对于任何一个电子产品都是必不可少的东西，因为任何系统都需要能源供给才能进行正常的运行。而此设计共需要5 V左右的电压，所以采用了移动电源进行供电，也就是电池供电，大小约为5 V。

(2)电路，也叫晶振电路。图中的XTAL1和XTAL2是两个独立的输入和输出。如图3采用了内时钟模式，也就是利用了内部振荡器的自激震荡。由于考虑到频率的高低与功耗相关，所以选择了12 MHz的石英晶振。电容则选用了30 pF的陶瓷谐振器件。

(3)复位电路。被分为开关复位以及上电的自动复位。接通电源后，电容器的负极被复位。电容端子的电压不会急剧变化。RST输入是高的，此时重新设置芯片。然后，5 V的电源给电容器充电。并且，电阻上的电压逐渐减少到0。复位按钮在电容器的两端并联连接。在按下复位按钮之前，实现电源开启复位。芯片运行时，也可以通过按RST手动复位。为了实现单芯片微计算机的有效复位，需要保持10 ms以上的高电平的。图3为单片机的最小系统的完整图。

图3 51单片机的最小系统

3 酒精传感器的应用

MQ-3是一款以测试酒精为主的传感器。其工作电压为2.5～5.0 V，产品尺寸为40.0 mm×21.0 mm，固定孔尺寸为2.0 mm，主要芯片为ZYMQ-3气体传感器，工作电压为直流5 V。 具有简单的回路即可驱动、低廉的价格却有着长期稳定的工作稳定性、对乙醇以外的气体具有抗干扰性等优点。在传感器刚上电时传感器的输出电压会快速的上升，上升到一定程度后又会慢慢地降到一个稳定的状态，所以在使用前需要对传感器进行预热，预热的时间在1～2 min左右，使得传感器稳定工作。传感器的输出电压与被测环境的酒精浓度存在着一个近似线性的关系，在不含酒精的环境下，传感器的输出电压在1 V左右，当传感器检测到酒精气体时，电压每升高0.1 V，近似被测气体浓度增加20 ppm也即是2 mg/100 mL。MQ-3酒精检测电路图如图4所示，MQ-3的特性见表1，实物图如图5所示。

图4 MQ-3酒精检测电路

表1 MQ-3的特性

图5 MQ-3实物

4 设计的仿真运行

系统的软件方面通过KEIL编程软件进行编写，将编写好的程序生成.HEX文件之后利用PL2303下载器下载到单片机中。然后观察整个程序系统运行的状态，对照进行每一组的反复的修改以及调试，在Protues仿真软件进行仿真运行，最终得到一个实际的可用程序。

图6和图7为仿真软件Protues的仿真运行图。

图6 停止状态

图7 报警状态

由图6可看出，在停止状态下，LCD显示器、LED警示灯并未亮起，电路未启动。

由图7可看出，将酒精浓度调高，调至示例806 ppm，图中LCD显示器所显示数值806 ppm，发现LED红灯亮起，蜂鸣报警器开始发出尖锐蜂鸣声报警。

图8为实物静止未开启状态，电路未通电，显示器灯灭，报警红灯熄灭，蜂鸣器不发声报警。

图8 未通电实物

图9为通电情况，显示器显示需要等待预热60 s，MQ-3酒精传感器红绿灯亮起，表示工作状态。报警灯仍然未亮，蜂鸣器不报警。

图9 报警器预热

图10为预热完成，报警器处于工作状态，显示器显示酒精浓度为000 ppm，报警红灯未亮，蜂鸣器不报警。

图10 检测状态

图11为检测到酒精后，显示器显示酒精浓度，已达到醉驾值，报警器红灯亮起，蜂鸣器发声报警。

图11 检测到酒精状态

5 结束语

文中的设计初衷是通过更加便捷的酒精浓度测试，从而在一定程度上减少酒驾的危害，因而该设计有如下几个特点：携带、操作简单方便；响应速度快、灵敏度高、反应结果精准，误差小；成本较低，易于推广；当酒精浓度超过限定值时，报警器会产生蜂鸣声进行报警，并且报警灯闪亮，易于观察检测结果，从而使人明确区分酒精浓度是否达到酒驾与否。

对比国内其他酒驾报警系统的设计，该设计拒绝采用其他设计关于检测到酒驾后，限制车速或进行熄火的思路，因为其危害性远大于酒驾，特别是在遇到紧急情况时，无法进行驾驶，或者如若出现酒精传感器误判的情况，依然无法启动汽车的情况，该设计认为诸如此类思路不可取，没有考虑到实际情况。