車載酒精探測控制儀設計(圖)

作者：中國石油大學（華東） 崔海朋 　日期：2009-3-13

酒后駕車容易發(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行現場檢測，以確定駕駛人員是否飲酒。目前，市場上警用酒精測試儀種類繁多、功能強大、靈敏度高，但是由于它沒有安裝在汽車內部，只能由交警人員來實施，因此并不能從根本上杜絕酒后駕車，酒后駕車事件仍時有發(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，該儀器安裝在汽車內，當駕駛人員進入駕駛室后，可以自動對酒精濃度進行探測，以確保行車的安全。系統可以根據檢測到的酒精含量是否超標控制汽車點火器打開或者關閉，如果超標，則駕駛人員無法啟動汽車，因此從根本上杜絕了酒后駕車的出現。該系統具有性價比高，智能化程度高，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。

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車，系統總體設計如圖1所示。該系統可放置在汽車儀表盤位置，當司機發(fā)動汽車時，探測控制儀啟動，此時發(fā)動機處于被鎖狀態(tài)，汽車無法啟動。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行檢測。由于酒精含量與酒精傳感器檢測后產生的電壓信號成特定的比例關系，因而可根據電壓信號進行酒精含量的判斷。檢測到的信號經過放大和濾波之后，通過單片機內置的12位ADC轉換為數字信號，由單片機對此信號進行處理判斷，假設酒精含量沒有超標，LCD顯示屏幕顯示當前酒精濃度，同時正常指示燈亮起，控制繼電器不起作用，汽車隨之啟動；反之，則進行聲光報警，控制繼電器切斷點火裝置電源，駕駛人員無法啟動汽車，從根本上實現控制酒后駕車。汽車啟動后，控制儀隨即進入低功耗狀態(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。它在活動模式時僅350μA，口線輸入漏電流最大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(wěn)定性方面都有明顯優(yōu)勢。


酒精探測控制儀系統中MSP430FG4619用來判斷氣體中的酒精含量，控制整個控制儀的工作。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，長期的壽命和可靠的穩(wěn)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的高精密運放MAX4238來實現，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運算放大來實現，濾波芯片采用美信公司生產的開關電容型引腳可編程集成濾波器MAX266來實現，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(jié)省了外部ADC芯片，大大簡化了硬件的設計，同時可以滿足精度的要求，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指示燈，紅燈是電源指示燈，工作時亮；綠燈是檢測提示燈，因為酒精探頭需要一定時間加熱，才能達到理想的靈敏度，加熱時間到，綠燈亮，表示可以進行濃度探測；黃燈為報警指示燈,黃燈不亮，表示可以行車；當黃燈亮時，表示酒精濃度超標，不可以駕駛，同時黃燈閃爍的頻率越高，酒精濃度越高。


液晶顯示電路用來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，相當于開關，控制點火裝置的打開和關閉、車燈的亮滅和喇叭的響與不響。是系統中非常重要的執(zhí)行單元。電路簡單，由于篇幅原因，這里不給出。


5 報警和鍵盤電路
利用蜂鳴器作為報警器，當酒精含量超標時，發(fā)出禁止行車警告音；不超標時，發(fā)出允許行車提示音。由P1.7驅動蜂鳴器來實現。


因為單片機有足夠多的I/O引腳，因此系統的鍵盤電路采用獨立式鍵盤，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(jiān)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，比內部看門狗電路更可靠。


通過以上設計，系統前端就可以把酒精傳感器檢測到的酒精含量信號經單片機判斷后產生相應的控制信號以控制汽車點火電路，從而實現對酒后駕車的有效控制。



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行模塊化編程?？刂苾x主程序流程圖如圖5所示，實現酒精含量檢測、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，對酒精傳感器進行加熱，自動進入測量狀態(tài)，然后采集酒精含量電壓信號，與設定的精度濃度進行比較，如果高于這個濃度，則顯示該濃度，并進行聲光報警，同時切斷點火電路，駕駛人員不能發(fā)動汽車；如果低于這個濃度，則顯示所測的濃度，同時啟動發(fā)動機。

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