基于MSP430的車載防醉駕安全系統(tǒng)設(shè)計

高云霞，李清華，吳凱凱，張 林，高景剛

（長安大學(xué) 電控學(xué)院，陜西 西安710064）

自2011年5月1日起，刑法修正案（八）和修改后的《道路交通安全法》正式實施，醉酒駕車將被追究刑事責(zé)任。隨著醉駕被以危險駕駛罪判處拘役的真正實施，媒體和社會各界對醉駕入刑問題更為關(guān)注。各個國家對有關(guān)酒精測試的儀器種類繁多，但因沒有安裝在汽車內(nèi)部,而只能由交警手持儀器定點(diǎn)一對一地抽查，使得醉駕檢查實施的范圍狹窄，無法主動消除這一危險駕車行為，也就不能完全杜絕醉駕所引發(fā)的交通事故。

因此希望設(shè)計一款車載防醉駕安全系統(tǒng)，此車載防醉駕控制系統(tǒng)的設(shè)計分為兩部分，其中酒精濃度檢測判斷部分安裝在汽車方向盤附近，以便駕車人呼氣檢測；第二部分是酒精濃度超標(biāo)控制點(diǎn)火部分，這部分電路與汽車點(diǎn)火器相連，控制點(diǎn)火和報警電路。這樣就可以實現(xiàn)全范圍的主動禁止醉駕。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本設(shè)計的工作原理是當(dāng)司機(jī)發(fā)動汽車時，指示燈亮提示用戶裝置啟動，提示司機(jī)必須首先對酒精傳感器呼氣，該氣體經(jīng)傳感器、檢波放大和AD轉(zhuǎn)換等處理后，輸入到主控芯片中進(jìn)行判斷，如果超過閾值電壓，則蜂鳴器發(fā)聲則無法啟動步進(jìn)電機(jī)，也就意味汽車發(fā)動機(jī)無法點(diǎn)火，此時語音報警電路會啟動報警。反之，如果測試酒精含量沒有超標(biāo)，則顯示器提示酒精濃度正常，汽車可正常打火啟動。如圖1所示為該系統(tǒng)的總體原理框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖Fig.1 System overall schematic diagram

2 硬件電路的設(shè)計

系統(tǒng)的核心控制模塊是美國TI公司的MSP430F149，該芯片的亮點(diǎn)在于低功耗，片上外圍模塊豐富，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，符合現(xiàn)代環(huán)保的理念；特別是該芯片自帶10位和12位ADC轉(zhuǎn)換，使用方便，完全滿足現(xiàn)實生活中駕車的實際要求。

1)酒精濃度采集

酒精濃度采集輸入端選用酒精濃度傳感器MQK2器件。它采用燒結(jié)半導(dǎo)體形成的敏感燒結(jié)體，該制作工藝保證了其長期工作的穩(wěn)定性；對乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性，信噪比高且功耗低；這些特點(diǎn)都符合司機(jī)自測醉駕操作需求。

MQK2主要由氣敏器件和電阻絲組成，VH接5 V加熱電壓，能將電阻絲加熱到270～300℃；Vc接工作電壓（范圍5－24 V）；本系統(tǒng)外接電壓取+5 V，取樣電阻RL=2 kΩ，這樣經(jīng)圖2電路就可將MQK2傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)化成輸出電壓的變化，從而可以通過MSP430F149內(nèi)部的A/D器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供單片機(jī)處理。

圖2 MQK2原理電路Fig．2 MQK2 principle circuit

考慮酒精濃度是由傳感器把非電量轉(zhuǎn)換為電量，傳感器輸出的是0～3．3 V的電壓且壓值穩(wěn)定，因酒精傳感器輸出的電壓范圍為3～5 V，，所以不能直接將酒精傳感器輸出值直接給單片機(jī)。由文獻(xiàn)[1]可見酒精含量與酒精傳感器檢測后產(chǎn)生的電壓信號成線性比例關(guān)系，故可選擇用一個通用的比例電路轉(zhuǎn)化到單片機(jī)電壓范圍。此設(shè)計電路中用滑動變阻器代替酒精傳感器，就可直接把傳感器輸入的模擬量用滑動變阻器電壓輸入的變化送入單片機(jī),由此得到的酒精濃度和電壓的一一對應(yīng)關(guān)系。

2)電機(jī)驅(qū)動和報警模塊

當(dāng)酒精含量超標(biāo)時，用蜂鳴器和一個8550三極管來驅(qū)動提示司機(jī)酒駕。指示燈是一個發(fā)光二極管接至單片機(jī)，加1～2 kΩ電阻限流。當(dāng)酒駕時單片機(jī)的輸出口P6．7置1，同時8550三極管放大單片機(jī)的電流來驅(qū)動蜂鳴器。而當(dāng)正常使用時用輸出口p5．0置1，再加一個限流電阻，防止電流過高而燒壞二極管。

這里用步進(jìn)電機(jī)代替現(xiàn)實中汽車的點(diǎn)火，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動就意味汽車的發(fā)動機(jī)啟動，反之則汽車不能啟動。因單片機(jī)輸出電流無法驅(qū)動電機(jī)，所以需要用驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機(jī)?；诶碚摲治龊蛯嶋H情況擬定選擇步進(jìn)電機(jī)和LN298作為硬件電路。

綜上所述，系統(tǒng)用LCD12864顯示模塊提供人機(jī)交互的界面，ADC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)信號轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊用于在12864屏上顯示檢測信息，并和輸入的模擬量對應(yīng)；電機(jī)驅(qū)動和報警模塊負(fù)責(zé)當(dāng)輸入的模擬量過高時，報警提示用戶，并顯示酒精含量的相關(guān)信息；或輸入模擬量沒標(biāo)時提示用戶可正常打火總體。

3）主要元器件

綜上對硬件的描述，本設(shè)計中所用的主要元器件及其參數(shù)如表1所示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖及編譯成功截如圖3和4所示。系統(tǒng)上電后要對各模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，判斷是否發(fā)出聲音和光報警，同時將計算所得酒精濃度值送LCD12864顯示。

表1 主要元器件參數(shù)表Tab.1 The main components parameters

圖3 主程序流程圖Fig．3 The main program flow chart diagram

圖4 編譯器程序編譯成功截圖Fig．4 The compiled successfully diagram of program

4 實物調(diào)試電路

如圖5整個電路由兩部分電路組成：MSP430F149系統(tǒng)板上的硬件資源（LCD12864顯示屏、蜂鳴器、發(fā)光二極管等）和一塊電機(jī)的驅(qū)動模塊電路（LN298的驅(qū)動模塊和直流電機(jī)）。

圖5 實物調(diào)試電路Fig.5 The physical circuit debugging diagram

當(dāng)單片機(jī)上電時，12864顯示屏顯示歡迎 （如圖6左圖），當(dāng)酒精含量高于設(shè)定值時，圖6中顯示醉駕信息，同時電機(jī)就被禁止也就意味著發(fā)電機(jī)的點(diǎn)火裝置被靜止。若判斷酒精含量正常則提示可以安全駕駛車（如圖6右圖）。

圖6 顯示信息Fig.6 The display information

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)對車載防醉駕安全控制系統(tǒng)進(jìn)行了的軟硬件電路設(shè)計，并對基于32位低功耗主控芯片MSP430為核心芯片的試驗性電路進(jìn)行了軟硬件聯(lián)合調(diào)試，證明了設(shè)計電路的可行性和正確性。該硬件電路簡單且成本低廉，軟件設(shè)計模塊化便于調(diào)試，具有一定的擴(kuò)展和應(yīng)用價值。但車載醉酒禁駕系統(tǒng)與人的主觀能動性關(guān)系密切，如何智能識別酒精傳感器接收到的氣體是否為將要駕車本人所呼出,這方面還需做進(jìn)一步研究。

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