基于单片机的防酒后驾驶控制系统毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的防酒后驾驶控制系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

制汽车点火装置才能打开。 而且还需要在行驶过程中不定时的随机抽测，从而达到解除驾驶者酒后驾 车的危险。 无论国外或者国内对于预防酒后驾车都做了很多的研究，也研发出了针对性的产品，但是这些产品或多或少都存有一定的缺陷，还未在汽车市场上得到广泛应用。 防酒后驾驶技术的发展，紧紧跟随着汽车工业和电子产业的未来趋势，朝着小型化，集成化，智能化方向发展。 研究内容 本课题主要研究一种能自动防止司机酒后驾驶的智能闭锁系统，本研究主要采用中档芯片 AT89C52 作为该智能闭锁系统的核心，通过呼气式酒精传感器测试司机呼出气体的酒精含量，并且能够通过液晶显示器显示该酒精含量值，当司机体内血液酒精含量超过安全驾驶标准时，能够报警，提示司机不要驾车，并通过继电器切断汽车引擎的电源，使汽车无法启动。 本研究主要包括以下几个方面的内容： （ 1）设计智能闭锁系统的功能、结构组成以及控制系统中的功能模块； （ 2）认真学习 AT89C52 芯片的特性和功能，设计自动控制系统的硬件电路。 以 AT89C52 为核心，功能模块划分为酒精传感器酒精浓度信号采集放大电路、 AT89C52 微控制器接口电路、报警电路、酒精浓度显示电路、继电器接口电路等 ； （ 3）软件编程。 按照软件实现的功能，分为酒精传感器模拟输出电压线性化处理、气体浓 度显示、报警、继电器驱动子程序等； （ 4）硬软件结合调试。 毕业设计（基于单片机的防酒后驾驶系统） 8 第 2 章 总体方案设计 本研究设计的基于单片机的酒后驾驶智能闭锁系统，采用燃料电池型酒精传感器，通过该酒精传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量， AT89C52 单片机判断是否超过安全驾驶标准，通过硬件系统处理，能够显示该酒精浓度，使驾驶员能够清楚的看到已经饮酒过度，所以需要选择一种显示仪器来显示驾驶员呼出气体酒精浓度值，基于这种要求，本次设计选用 LED 显示模块。 为了能够警示驾驶员不要酒后驾驶，本系统中需要设计一种语音报警系统，能 够在驾驶员欲酒后驾驶时，发出“请注意安全，不要酒后驾驶”的语音提示，选用了语音报警模块。 该智能闭锁系统的最主要功能是为了当检测到司机呼出气体内酒精浓度超标时，能够自动切断汽车电源引擎，所以需要一种执行机构能够自动的切断汽车引擎电源，本次设计选用继电器来达到这个目的，通过继电器的动作来控制汽车引擎电源是否开启。 通过选用本方案中的元件，该智能闭锁系统能够通过快速检测驾驶员呼出气体的酒精浓度是否超标，通过单片机的放大、采集处理检测驾驶员呼出气体酒精含量是否超标，当检测到驾驶员饮酒过度时，能够显示酒精浓度值和报警提 示不要酒后驾车，并快速切断汽车引擎电源，停止启动发动机。 基于设计思路，设计了基于单片机的防酒后驾驶闭锁系统的框图，如下图所示： 数字量 控制转换 A T 8 9 C 5 2 单 片 机 LED 显示 警告提示 驱动继电器 酒精传感器 电源供电 汽车引 擎电源 放大器 A D C 0 8 0 9 毕业设计（基于单片机的防酒后驾驶系统） 9 系统硬件原理框图 下面对该系统做下简单的介绍： 本系统 主要由电源模块、酒精传感器、 AT89 系列单片机、模数转换模块、 LED 显示模块、报警模块、继电器驱动模块等组成，通过采集酒精，酒精传感器输出电压信号，放大后经过 ADC0809 模数转换和 AT89C52 单片机处理，当检测到酒精浓度超过标定值时， LED显示传感器的输出电压值，报警模块报警并同时驱动继电器动作，切断汽车引擎电源。 液晶显示模块功能显示是电子控制领域不可缺少的部件，由于液晶显示器件 LCD 具有体积小、重量轻、低电压等特点，成为一种比较理想的显示器。 它包括段位式 LCD、字符式 LCD 和点阵式 LCD，其中段位式 LCD 和字符式 LCD 只是字符和数字的简单显示，而点阵式 LCD 还可以显示各种图像、曲线及汉字等，用途更为广泛 [9]。 本次液晶显示模块它的主要功能是当驾驶员通过酒精传感器检测呼出气体酒精含量时，能够显示酒精传感器的输出电压值和驾驶员呼出气体的酒精浓度值。 语音报警模块功能语音报警具有灯光报警不可比拟的优点，主要表现在语音给人快速、直观、准确的信息，而且语音给人非常亲切的感觉。 因此作为报警输出的结果表达方式，大大缩短了人机交互界面的距离。 语音模块由带有数 字录放芯片组成，它具有专利技术的模拟处理存储方式，使录放音质极佳，且断电后语音内容不会丢失。 继电器驱动模块继电器是组成继电保护装置的基本元件，当其输入量的变化达到要求时，其电气输出中被控量将发生预定阶跃变化。 虽然电子产业的发展日新月异，但是在工业和汽车应用中，为了控制大电流负载，由于继电器的低成本和优异的抗故障能力，使它适用于工业和汽车环境中 [10]。 本系统中采用双刀双掷的电磁继电器，当单片机检测到司机呼出气体酒精浓度超标时，能够切断汽车引擎电源，使汽车无法启动。 酒精传感器的选型 随着科学 的发展，酒精传感器的种类越来越多，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 [1 12]。 下面主要介绍半导体型和燃料电池型酒精传感器。 半导体型采用氧化锡半导体作为传感器，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。 这种半导体在不同工作温度时，对不同气体敏感程度是不同的，因此对于半导体型呼气酒精测试仪中一般都采用加热元件，把传感器加 热到一定的温度，毕业设计（基于单片机的防酒后驾驶系统） 10 在该温度下，该传感器对酒精具有最高的灵敏度 [13]。 但是由于半导体型酒精传感器感度低、不能精确计量、稳定性和重复性差、以及功耗大，所以国外很少用其现场 ,实时检测司机是否酒后驾车。 燃料电池型酒精传感器采用贵金属白金作为电极， 在燃料室内充满了特种催化剂，它能使进入燃料室内的酒精充分燃烧转变为电能，也就是在两个电极上产生电压，电能消耗在外接负载上，此电压与进入燃料室内的气体的酒精浓度成正比。 燃料电池型酒精传感器属于电化学类型，燃料电池是当前世界上广泛研究的环保型能源，它可以直接把可燃气体转变成电 能，而不产生污染 [1 1 16]，作为酒精传感器只是燃料电池的一个分支。 燃料电池型酒精传感器的特点：测量精度高，可测范围宽。 由于它只对酒精气体反应，所以任何其他非酒精气体测量时给结果带来的干扰都很小。 另外，由于它对酒精气体极其敏感，只要把环境温度控制在规定的范围内，即使酒精浓度很低也能在其两极产生微弱的电压输出。 由于燃料电池型酒精传感器具有稳定性好、精度高、抗干扰性好的明显优点 [17]，可用来检测机动车驾驶人员是否饮酒和其它严禁酒后作业人员的现场检测，也可用在其它场所乙醇蒸汽的检测。 目前普遍使用的酒 精传感器为半导体型和燃料电池型，这两种酒精传感器易于制造成便捷型呼气式酒精测试器，适用于现场使用。 国内普遍使用半导体型酒精测试仪，因为它的主要优点是价格低廉，只是燃料电池型的几分之一，但是它的性能远比燃料电池的要差，所以它通常用在要求不高的场合，如自我检测或一般性定性检测。 但是对于应用在汽车领域，主要用来精确测量人体呼出气体酒精含量的检测，应该需要完全符合 GA3072020 标准的燃料电池型酒精传感器，确保对人体呼出酒精气体进行实时、精确定量检测。 基于本次设计要求和使用环境、成本等方面的考虑，本次课题选用燃 料电池型酒精传感器。 燃料电池型酒精传感器的消耗电流小，并且通电初期的稳定时间短，其电路部分仅需要电池就可以满足供电需要，比半导体传感器的精度高、灵敏度高、性能稳定、抗干扰性强，适宜用在检验人体呼出气体的酒精含量中。 单片机的选型 随着大规模集成电路技术的发展，可以将 CPU、 ROM、 RAM、定时 /计数器以及输入 /输出（ I/O）接口电路主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。 这样所组成的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机，简称单片微机或单片机。 目前，单片机发展趋势将是进一步向着 CMOS（金属栅 氧化物）化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格、和毕业设计（基于单片机的防酒后驾驶系统） 11 外电路内装化等几个方面发展 [18]。 主要应用领域包括 :智能化家用电器、办公自动化设备、商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品、汽车电子产品、航空航天系统和高防军事、尖端武器等领域。 单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。 以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，单片机可以通过软件方法来实现。 单片机从工业测控对象、环境、接口特点等出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统界面接口的方向发展。 单片机的种类繁多，主要有以下几种 :ATMEL 公司的 AVR 单片机、 Motorola 单片机、Microchip 单片机、 8051 单片机、 MDT20XX 系列单片机、 EM78 系列 OTP 单片机、 Scenix单片机、 EPSON 单片机、东芝单片机等。 这些单片机性能不同，应用的环境和范围也不同。 目前最常用的是 AVR、 MCS5 PIC 系列单片机。 51 系列单片机的优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作的系统，称作位处理器，能够进行的位传送、置位、清零、测试、逻辑运算等，功能完备。 51 系列的另外一个优点是 乘法和除法指令，给编程带来方便 [7 Intel 公司 51 系列的典型产品是 8051，片内有 4K 字节的一次性程序存储器（ OTP）。 Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器（ Flash），容许改写 1000 次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品 AT89C5 AT89C52„„等成为了当今最流行的八位单片机。 PIC 系列单片机采用 Harvard 双总线结构，运行速度快，指令流水线结构，程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理。 但编程时分页比较麻烦，扩展能力比较弱。 AVR 是集合了 PIC 和 51 的 优势的，指令周期比 PIC 还要快，性价比比 PIC 要高， FLASH在线编程比 PIC 方便，学 AVR 会感到它的结构跟 PIC 差不多，很多相似的，就是用 C 语言开发置位麻烦一点，位操作不如 PIC 和 51 方便，工业级也用的不广，多用于仪器、通信上。 基于本设计要求的性价比以及所实现功能，选用 Atmel 公司的 AT89C52 单片机。 模数转换芯片的选型 [19] A/D 转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。 下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型。 1）双积分型（如 TLC7107） 在双积分 AD 转换器中，总是先把输入模拟电压 uI，转换成相应的时间间隔 t，在用 t毕业设计（基于单片机的防酒后驾驶系统） 12 去控制送入计数器的频率固定的 CP 脉冲的个数，从而实现 AD 转换。 主要优点是性能比较稳定，转换精度较高，抗干扰能力强，电路较简单；缺点是工作速率低，对转换精度要求较高的地方不适合用。 2）逐次比较型（如 ADC0808/ADC0809） 逐次比较型 A/D 由一个比较器、 D/A 转换器、参考电源、逐次渐近寄存器与控制逻辑电路及时钟信号等几部分组成，从 MSB 开始，顺序地对每一位将输入电压与内置 D/A 转换器输出进行比较，经 n 次比较一直到最低位为止而输出数字。 其电路规模属于中等。 其优点是分辨率较高、误差较低、转换速度较快、是目前应用比较广泛的一种 A/D 转换器。 3）并行比较型（如 TLC5510） 并行比较型 AD 采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称 FLash(快速 )型。 由于转换速率极高， n 位的转换需要 2n1 个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频 AD 转换器等速度特别高的领域。 AD 转换器的主要技术指标 1）分辩率 (Resolution) 指数字量变化一个最小 量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与 2n 的比值。 分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2） 转换速率 (Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需的时间的倒数。 积分型 AD 的转换时间是毫秒级属低速 AD，逐次比 较型 AD 是微秒级属中速 AD，全并行 /串并行型 AD 可达到纳秒级。 0809 是一款 8 通道复用的 8 位 AD 转换器，数据获取的关键部分是它的 8 位模 /数转换器。 这个部分主要是由 3 部分组成： 256R 的阶梯网络，连续逼近的电阻，和比较器。 连续逼近电阻（ SAR）通过 8 次迭代去。