酒后駕駛無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　隨著汽車的普及，酒后駕駛的危害日益突出。為有效控制酒后交通事故的發(fā)生，公安交管方面使用便攜式酒精檢測(cè)儀對(duì)汽車駕駛員酒后駕車做出快速檢查，測(cè)量結(jié)果可以作為客觀評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。然而這些工作主要用于交通事故發(fā)生后的公正執(zhí)法，很難做到防患于未然。本課題把傳統(tǒng)的酒精檢測(cè)技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線預(yù)警系統(tǒng)，使車主與乘客在第一時(shí)間知道司機(jī)是否酒后駕駛，為高效杜絕交通事故提供技術(shù)保證。
1 檢測(cè)原理
　檢測(cè)氣體中酒精含量的傳感器有燃料電池型(電化學(xué))、半導(dǎo)體型、紅外線型、氣體色譜分析型、比色型等五種基本類型。考慮到價(jià)格和使用方便與否等因素，目前普遍使用燃料電池型(電化學(xué)型)和半導(dǎo)體型傳感器。使用這兩種傳感器可以制造成便攜式呼氣酒精測(cè)試儀，適合于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[1]。
　半導(dǎo)體型傳感器以氧化錫作為半導(dǎo)體，當(dāng)接觸的氣體中的敏感氣體濃度增加時(shí)，它對(duì)外呈現(xiàn)的電阻值就降低。在不同的工作溫度下，這種半導(dǎo)體對(duì)不同的氣體敏感程度是不同的，為了使傳感器對(duì)酒精具有最高的敏感度，在半導(dǎo)體型呼氣酒精測(cè)試儀中采用加熱元件，把傳感器加熱到所需的溫度。
檢測(cè)原理圖如圖1所示，采用對(duì)乙醇?xì)怏w靈敏度較高，且對(duì)其他氣體具有較高分辨率的WS-2型乙醇?xì)饷舭雽?dǎo)體傳感器，其響應(yīng)時(shí)間小于10 s，恢復(fù)時(shí)間小于30 s，電導(dǎo)變化大?？紤]到汽車內(nèi)提供的直流電壓[2]多為12 V/14 V，輸入電壓采用12 V，并用LED來(lái)指示電源的接通情況。LM7805輸出的5 V電壓作為傳感器的加熱電壓，并為后邊芯片提供驅(qū)動(dòng)電壓。傳感器的負(fù)載電阻RP1選用0.5 kΩ-5 kΩ的可調(diào)電阻，以達(dá)到最佳效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　當(dāng)接觸到司乘人員的呼氣中有乙醇分子時(shí)，酒精傳感器的輸出電壓將發(fā)生變化，完成“氣”→“電”信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
　傳感器的輸出電壓經(jīng)過(guò)比較電路被判定為三級(jí)，分別對(duì)應(yīng)“沒(méi)有飲酒”、“微量飲酒”、“過(guò)量飲酒”。微量飲酒即為酒后(駕駛)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)血液酒精濃度為0.2 mg/ml，換算成呼氣濃度為44 ppm；過(guò)量飲酒即為醉酒(駕駛)標(biāo)準(zhǔn)[3]，對(duì)應(yīng)血液酒精濃度為0.8 mg/ml，換算成呼氣濃度則為176 ppm，此時(shí)比較電路的輸出控制開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音芯片報(bào)警；傳感器的輸出電壓經(jīng)放大后加至方波發(fā)生電路，當(dāng)檢測(cè)到酒精時(shí)，電路就會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管來(lái)控制手機(jī)自動(dòng)撥號(hào)，使遠(yuǎn)方的車主可以通過(guò)公網(wǎng)接收到現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，使乘客與車主同時(shí)對(duì)駕駛員的醉酒情況實(shí)施監(jiān)督，系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.1 比較電路設(shè)計(jì)
　比較電路如圖3所示，選用LM339芯片的三個(gè)單限比較器對(duì)傳感器輸出信號(hào)分三個(gè)電壓限來(lái)比較判斷。輸入信號(hào)Uin加到比較器的同相輸入端，在反相輸入端接相應(yīng)的閾值電壓Ur，當(dāng)輸入電壓大于閾值電壓時(shí)，輸出為高電平UOH。每個(gè)電壓比較器的閾值電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器設(shè)置。

2.2 語(yǔ)音報(bào)警電路設(shè)計(jì)
　用比較器輸出S2和S3通過(guò)CD4052來(lái)控制語(yǔ)音芯片APR9600的通道M1和M2的開、關(guān)，控制語(yǔ)音芯片報(bào)警發(fā)聲，電路原理如圖4所示。錄入的第一段報(bào)警語(yǔ)句是：“司機(jī)朋友，您喝酒了，請(qǐng)您謹(jǐn)慎駕車！”第二段是：“司機(jī)朋友，您飲酒過(guò)量，請(qǐng)您不要開車！”

　采用小功率音頻信號(hào)放大器LM386放大報(bào)警語(yǔ)音獲得了清晰適度的語(yǔ)音信號(hào)。
2.3 手機(jī)自動(dòng)撥號(hào)電路設(shè)計(jì)
　經(jīng)過(guò)測(cè)試，傳感器檢測(cè)到酒精且達(dá)到S2級(jí)酒后標(biāo)準(zhǔn)時(shí)輸出電壓為1.7 V，酒精濃度達(dá)到所設(shè)計(jì)的S3級(jí)醉酒標(biāo)準(zhǔn)時(shí)輸出電壓為3.9 V，而沒(méi)有酒精時(shí)輸出電壓不超過(guò)0.39 V。所以傳感器的輸出電壓經(jīng)過(guò)LM358放大三倍后，作為NE555的工作電壓，能夠保證在檢測(cè)到酒精時(shí)，NE555能可靠工作且不至損壞。手機(jī)撥號(hào)電路如圖5所示。

　當(dāng)NE555輸出的矩形波低電平到來(lái)時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，手機(jī)發(fā)射鍵上的行線和列線上的光敏電阻阻值為90 kΩ左右，手機(jī)發(fā)射鍵斷開。當(dāng)矩形波高電平到來(lái)時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏電阻阻值變?yōu)?00 Ω左右，手機(jī)發(fā)射鍵被接通。當(dāng)發(fā)光二極管閃光兩次之后，相當(dāng)于手機(jī)被連按兩次發(fā)射鍵，預(yù)先存儲(chǔ)的車主電話被打通，車主接通電話就可聽到清晰適度的預(yù)警語(yǔ)音。
3 測(cè)試結(jié)果及分析
3.1 傳感器模塊測(cè)試數(shù)據(jù)及分析
　輸入電壓為12 V時(shí)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的需要，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻為2 kΩ可以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，使傳感器達(dá)到最靈敏的加熱時(shí)間為5 min。對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，各級(jí)輸出電壓為S1：0.39 V，S2：1.7 V，S3：3.9 V。經(jīng)分析測(cè)試結(jié)果可知，電壓信號(hào)正常。如果汽車電池電壓過(guò)低，可以適當(dāng)調(diào)高負(fù)載電阻以保證三級(jí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓保持穩(wěn)定。
3.2 閾值電壓的測(cè)試結(jié)果及分析
　三級(jí)閾值電壓應(yīng)分別低于傳感模塊的輸出電壓，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以確保預(yù)警的可靠性。綜合考慮傳感器本身的特性參數(shù)，以及對(duì)空氣和溫度的要求，對(duì)電路中的3個(gè)10 kΩ電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)反復(fù)測(cè)試與分析，S1級(jí)的閾值電壓為0.20 V，S2級(jí)的閾值電壓為1.0 V，S3級(jí)的閾值電壓為2.9 V，符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
3.3 語(yǔ)音功率放大電路的測(cè)試與分析
　在LM386的1腳與8腳接電容、電阻以調(diào)節(jié)電路的閉環(huán)電壓增益。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，當(dāng)電容取值為10 μF、電阻值為1.2 kΩ時(shí)，電壓放大倍數(shù)達(dá)到34 dB，可以得到清晰適度的語(yǔ)音報(bào)警。適當(dāng)調(diào)小電阻值，可提高放大倍數(shù)。
3.4 NE555矩形波信號(hào)的測(cè)試與分析
　采用NE555來(lái)產(chǎn)生周期性脈沖，發(fā)光二極管的發(fā)光周期不宜超過(guò)2 s，否則將會(huì)使系統(tǒng)不能驅(qū)動(dòng)手機(jī)撥號(hào)呼叫功能而影響遠(yuǎn)程報(bào)警。實(shí)際設(shè)計(jì)的方波周期T為1.148 s，實(shí)際運(yùn)行良好。
　實(shí)驗(yàn)顯示，采用基于現(xiàn)有公網(wǎng)的無(wú)線通信方式，可大大提高報(bào)警系統(tǒng)的通信可靠程度，而且通信距離不受限制，從而實(shí)現(xiàn)車主對(duì)汽車的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于車主為法定責(zé)任人，車主對(duì)駕駛員的控制力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乘客，這樣的配置可以幫助車主從源頭上杜絕酒后駕駛。整個(gè)系統(tǒng)采用汽車電源供電，主要費(fèi)用為移動(dòng)卡的月租費(fèi)，用手機(jī)作為發(fā)射機(jī)省去了很多軟硬件費(fèi)用[4-5]。實(shí)驗(yàn)采用了普通手機(jī)，三種公用網(wǎng)絡(luò)(電信、移動(dòng)、聯(lián)通)都收到了預(yù)期的預(yù)警語(yǔ)音(或短消息)。通過(guò)適當(dāng)改造，系統(tǒng)還可用于車主對(duì)汽車防盜的要求，也可用于無(wú)人值守的倉(cāng)庫(kù)防護(hù)、樓門禁入等場(chǎng)合。系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的公用通信資源，大大降低了成本，因而具有較好的推廣價(jià)值。
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