一种基于单片机的多功能防醉驾系统装置设计

摘要：采用ATmega16单片机作为核心控制器件，通过检测驾驶员的酒精含量是否超标来控制汽车的点火开关是否打开来杜绝酒后驾车；声光报警电路模块用于当其酒精含量超标时发出声光报警；同时，当系统测知饮酒驾驶员醉酒后，GPS定位系统及语音呼叫系统会以短信的方式通知车辆的位置，方便及时处理，降低了交通事故的发生率；设置的LCD显示控件进行所有信息的实时显示。
关键词：单片机；酒精检测；声光报警；主控电路

    基于ATmega16超低功耗单片机的2J2001A型数码酒精探测控制仪，探测传感器安装在汽车内，分别在主驾驶车位上的头顶上、方向盘上、每一个车门的边上安装，当驾驶人员进入驾驶座位后，可以自动对酒精浓度进行探测，当系统通过对5个酒精测试仪的数据分析后，会判定出驾驶员是否是饮酒驾车和醉酒驾车，并分别采取对应的措施，以确保行车和驾驶员的安全。系统可以根据检测到的酒精含量是否超标控制汽车点火器打开或者关闭，如果超标，则驾驶人员无法启动汽车同时安全带会自动收紧，而且系统会呼叫相应的人员过来帮助驾驶员，因此从根本上杜绝了酒后驾车的出现。该系统具有性价比高，智能化程度高，工作稳定可靠的优点。

1 系统工作原理
    系统采用超高灵敏度酒精传感器用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，超低功耗ATmega16单片机系统，自动探测酒精浓度的方法，可以防止驾驶人员逃避检测，以判断驾驶员是否是酒后开车，系统总体设计如图1所示。主机电路包括8个模块，分别是酒精传感电路模块、电源模块、GPS定位模块、键盘控制模块、液晶显示模块、声光报警模块、语音呼叫模块、继电器控制模块。该系统放置在汽车仪表盘位置，当司机打开车门时，酒精探测控制仪启动，此时发动机处于被锁状态，汽车无法启动。酒精传感器加热后，探测控制仪对酒精传感器探测的气体信号进行检测。由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。检测到的信号经过放大和滤波之后，通过单片机内置的12位ADC转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，LCD显示屏幕显示当前酒精浓度，同时绿色指示灯(正常)亮起，控制继电器不起作用，汽车随之启动；反之红色指示灯(不正常)亮起并进行声光报警，控制继电器切断点火装置电源，同时安全带收紧，系统启动呼叫紧急联系人装置，通过GPRS导航仪测定当前位置并以语音或短信“我现在在XX方位，我喝醉了，请速来”告诉给紧急联系人，此时驾驶人员无法启动汽车，从根本上实现控制酒后驾车。汽车启动后，控制仪随即进入低功耗状态，只有酒精浓度探测电路一直工作，一旦驾驶人员驾驶过程中饮酒，控制仪立即恢复到正常工作状态。

2 系统主要电路设计
    (1)主控电路
    本控制仪采用了由Atmel公司研发出的新一代高性能、低功耗、高集成化的8位微处理器，具有先进的RISC结构，大多数指令的执行时间为单个时钟周期增强型ATmega16单片机，它的工作电压为4．5～5．5 V，工作频率为0～16 MHz，支持JTAG端口仿真和编程，仿真效果比传统仿真更真实有效。它的高度集成不但大大降低了故障率，而且在成本、体积、稳定性方面都有明显优势。系统主控电路如图2所示，包含晶振电路、复位电路等。
    (2)酒精检测电路
    酒精传感器采用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，探测范围为10～1000ppm。酒精检测电路由高精度酒精传感器、信号调理放大电路、滤波电路和单片机内置12位ADC等组成，主要功能是检测酒精含量，判断其是否超标，如图3所示。

    (3)指示灯电路
    指示灯电路有红绿黄三个指示灯，红灯是电源指示灯，工作时亮；绿灯是检测提示灯，因为酒精探头需要一定时间加热，才能达到理想的灵敏度，加热时间到，绿灯亮，表示可以进行浓度探测；黄灯为报警指示灯，黄灯不亮，表示可以行车；当黄灯亮时，表示酒精浓度超标，不可以驾驶，同时黄灯闪烁的频率越高，酒精浓度越高。如图4所示。
    (4)液晶显示电路
    此系统选用的是广州瑞通科技有限公司的SED1335图形点阵LCD模块．这是一款低功耗的点阵图形式LCD，可以工作在3．3 V供电的情况下，显示格式为128(列)×64(行)，具有多功能指令，内部带有中文字库，既可以工作于串行方式又可以工作于并行方式，很容易与16位的单片机相连。本系统中与单片机的连接采用并行工作模式，以液晶显示控制芯片ATmega16的异步串行通信端USART为外部数据或控制指令的输入断口，如图5所示。
    (5)GPS导航系统设置电路
    本设计在系统终端采用了GPS导航系统模块作为开发平台，当酒精检测系统发出醉酒超标信号时，该模块就会将所在地点的信息发到语音呼叫模块上。在平时无醉酒(饮酒)情况下，该模块就充当GPS实时导航系统，为驾驶员提供必要的信息。
    (6)继电器控制电路
    控制继电器有两个主要部分，一个是控制系统，另一个是被控制系统。其起动机的工作原理如图6所示。

    (7)语音呼叫系统控制电路
    语音呼叫系统是继酒精检测电路发出超标信号后，该系统读取GPS模块传送过来的信息并通过语音呼叫系统把饮酒者所在地点信息传给其最近联系人，让他过来帮忙，如：“我现在在XX方位，我喝醉了，请速来”。其电路如图7所示。
    (8)报警和键盘电路
    利用蜂鸣器作为报警器，当酒精含量超标时，发出禁止行车警告音；不超标时发出允许行车提示音。由单片机的I／O口驱动蜂鸣器来实现。

3 系统软件设计
    软件部分根据系统功能进行模块化编程。控制仪主程序流程图如图8所示，实现酒精含量检测、酒精含量是否超标判别、酒精含量显示、声光报警等功能。系统初始化后，对酒精传感器进行加热，自动进入测量状态，然后采集酒精含量电压信号，与设定的精度浓度进行比较，如果高于这个浓度，则显示该浓度，并进行声光报警，同时切断点火电路，驾驶人员不能发动汽车；如果低于这个浓度，则显示所测的浓度，同时启动发动机。

    通过电路中预留的JTAG接口调试程序，依据检测系统不同功能的需要，采用模块化的设计，将程序分成几个主要的功能模块：气体检测、工作电压设置、采样数据上传。

4 结语
    酒精监控系统是为预防或杜绝醉酒驾车引发交通事故发生而设计的。通过对各个电路功能及软件工作流程的研究与制作，基本实现了设计要求。系统具有自动测量、智能化程度高、功耗低等特点，对预防酒后驾车具有很好的效果，在实际应用中具有很好的推广价值。