基于單片機的車載酒精檢測系統(tǒng)

毛夏煜 王雨凡 牛遷遷 劉瑤 馮興樂

摘要：酒駕是威脅交通安全的重要因素之一，對其進行有效預(yù)防和智能控制具有重要意義。為實現(xiàn)汽車發(fā)動前判斷司機是否酒駕與遠程無線報警的功能，設(shè)計出一款基于單片機的車載酒精監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用MSP430F149單片機，結(jié)合MQ-3傳感器實時監(jiān)測駕駛區(qū)酒精濃度，通過LoRa發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)至遠程監(jiān)控端，若判斷出酒精濃度超出預(yù)定最大值便進行報警并使能控制汽車使其無法啟動，再及時通過LoRa告知用戶，以此預(yù)防酒駕事故的發(fā)生。經(jīng)過反復(fù)測試，該系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)快速準確、無線通信穩(wěn)定有效。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);單片機;LoRa;酒精監(jiān)測

中圖分類號：TP274+ ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）24-0224-02

據(jù)中國交通網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)顯示：2019年上半年全國共查處酒駕醉駕90.1萬起，造成1674人死亡，因酒駕醉駕導(dǎo)致的交通事故同比增加28.2%。酒精在人體血液內(nèi)達到一定濃度時，人對外界的反應(yīng)速度會下降，駕車發(fā)生事故的可能性大大提高。傳統(tǒng)的酒駕監(jiān)測系統(tǒng)僅針對當(dāng)前場景進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，不能進行制動和無線通信，其實用性很低。鑒此，該系統(tǒng)不僅可以實時監(jiān)測駕駛員是否出現(xiàn)的醉酒駕駛情況，發(fā)出提示警報及時斷電使汽車制動，還能將相關(guān)信息傳送出去，較之傳統(tǒng)酒駕檢測方式，成本低且操作性強，可從源頭上阻止由酒駕帶來的危害[1]。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

為實現(xiàn)酒精監(jiān)測的功能，需通過酒精傳感器將酒精濃度轉(zhuǎn)變成可處理的模擬電壓信號。由于該系統(tǒng)所應(yīng)有的單片機無法直接處理模擬電壓量，故通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog Digital Converter，ADC）將包含酒精濃度信息的模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量交至單片機處理，根據(jù)所獲取的酒精濃度大小來控制蜂鳴器是否報警、汽車是否制動;為實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能，需要將所獲取的酒精濃度通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給遠程監(jiān)控端，監(jiān)控端收到信號后對車輛駕駛區(qū)酒精濃度情況進行實時顯示，并進一步發(fā)送至上位機應(yīng)用平臺，方便監(jiān)管部門對車輛駕駛情況進行監(jiān)測[2]。

本系統(tǒng)應(yīng)用MSP430F149單片機作為主控核心，MSP430F149單片機的芯片具有一個強大的16位RISC CPU、16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，其數(shù)據(jù)處理速度快，大大提高了代碼的運行效率。本系統(tǒng)中主要使用到了它的定時器A、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12、USART通信串口和時鐘系統(tǒng)等功能模塊。由于MSP430F149的時鐘系統(tǒng)包含了內(nèi)外兩個時鐘，這使得時鐘使用方式十分靈活多樣，可滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的酒精濃度信號處理、定時、通信等功能。此外它擁有FLASH閃存，方便在線進行調(diào)試和下載。綜合考慮MSP430F149單片機的架構(gòu)、功耗模式和時鐘系統(tǒng)都使其最適合用于在便攜式測量設(shè)備中延長電池使用壽命，對環(huán)境和人體的輻射小，適合汽車內(nèi)部環(huán)境。發(fā)送端單片機通過控制內(nèi)部的轉(zhuǎn)換模塊ADC把酒精傳感器測量得到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并進行處理，通過控制其I/O口輸出高低電平來控制汽車制動系統(tǒng)處的繼電器開關(guān)，從而實現(xiàn)使能制動;通過控制LoRa模塊來向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)傳遞酒精濃度信息[3]。接收端作為接收器的LoRa模塊接收到酒精濃度數(shù)據(jù)時，接收端單片機從低功耗模式中被喚醒，對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，控制液晶顯示模塊顯示酒精濃度，并發(fā)送給上位機（如圖1所示）。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 濃度分級

該系統(tǒng)將酒精濃度劃分為8個檔位，在應(yīng)用場景中，每1s采集一次酒精濃度并判斷其對應(yīng)檔位，接收端單片機通過檔位對應(yīng)控制汽車啟動電路和接收端報警電路實現(xiàn)制動與報警的功能，同時向接收端發(fā)送此時的酒精濃度信息。接收端接收到來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同對應(yīng)不同液晶顯示情況，即8種檔位對應(yīng)不同提醒顯示，LCD會顯示酒精濃度等級從高到低分別為：“degree：0”到“degree：7”，且單片機P2口連接的8位LED燈從無酒精時全滅到每個等級依次增亮一位直到8位LED燈全亮。

2.2無線通信

系統(tǒng)信息傳輸主要由LoRa模塊完成，采用發(fā)送端與接收端之間點對點透明傳輸。點對點透明傳輸，即發(fā)送端與接收端的設(shè)備具有相同地址、相同通信信道和相同無線速率條件下進行通信。發(fā)送端發(fā)出什么，接收端就接收到什么。由于LoRa是一種半雙工模塊，故在接收端和發(fā)送端各使用一個LoRa，因為它們的默認出廠設(shè)置中設(shè)備地址、通信信道、無線速率是相同的，即滿足點對點透明傳輸?shù)臈l件因此該系統(tǒng)不對兩個LoRa模塊進行額外配置即可實現(xiàn)無線通信。通信示意圖如圖3。

該系統(tǒng)中單片機P3.4和P3.5引腳可以進行串口通信，發(fā)送端和接收端單片機與LoRa模塊的連接電路相同。發(fā)送端單片機將采集到的酒精濃度檔位信息放入串口發(fā)送緩沖器中，該緩沖器把數(shù)據(jù)通過引腳P3.4經(jīng)LoRa模塊RXD引腳傳遞給LoRa射頻模塊，再通過無線通信將數(shù)據(jù)送出。接收端LoRa模塊在同一信道中收到發(fā)送端數(shù)據(jù)后，通過LoRa模塊的TXD引腳經(jīng)P3.5口發(fā)送給接收端單片機，供接收端單片機處理[4]。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

發(fā)送端：MQ-3酒精傳感器生成酒精濃度模擬電壓量，經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字電壓量，根據(jù)數(shù)值對蜂鳴器和繼電器采取相應(yīng)的開關(guān)控制，同時通過串口將該數(shù)值傳送至LoRa模塊，通過無線傳輸，將數(shù)值發(fā)送至接收端的LoRa模塊，達到數(shù)據(jù)傳遞的效果。

接收端：通過LoRa模塊接收發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至單片機對接收的數(shù)據(jù)進行處理后將其呈現(xiàn)在液晶屏上，同時將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至PC端進行下一步處理[5]。

3.1 發(fā)送端

發(fā)送端由電源電路和LoRa模塊及傳感器組成，較為簡單，前兩個模塊上面已經(jīng)提到。傳感器和LoRa通過串口線連接，USB作為供電模塊，給傳感器和LoRa進行5V供電。

3.2 接收端

第一部分是屬于單片機結(jié)構(gòu)和單片機基本工作電路部分，包括F149芯片、晶振、電源電路和電平轉(zhuǎn)換模塊。

第二部分是程序下載部分，本系統(tǒng)采用JTAG接口。

第三部分是通信模塊，包括LoRa無線模塊和TTL轉(zhuǎn)USB通信模塊。

第四部分是液晶顯示模塊，采用1602液晶顯示模塊。

4汽車制動

本系統(tǒng)使用繼電器控制點火線路的方法，實現(xiàn)汽車制動的功能。當(dāng)系統(tǒng)運行時，傳感器將實時監(jiān)測并更新儀器內(nèi)部的酒精濃度數(shù)值，在上傳至上位機的同時交由單片機進行判斷，并做出相應(yīng)的分級。該分級可在程序設(shè)計過程中自定義設(shè)計，這里以默認的三段濃度（安全，酒駕，醉駕）進行說明，制動機制在安全和酒駕兩檔濃度中并不會生效，僅在觸發(fā)醉駕濃度后開始生效。微處理器判斷需啟動制動機制時，通過I/O控制繼電器導(dǎo)通方向由常開端切換至常閉端。此時，連接于常開端和公共端的點火線路將會被切斷，使發(fā)動機熄火，從而達到制動的效果[6]。

當(dāng)酒精濃度下降至閾值以下（該閾值通常明顯低于制動機制啟動閾值）則重新導(dǎo)通點火線路，恢復(fù)正常點火功能。

若出現(xiàn)意外，也可直接切斷儀器電源強制導(dǎo)通，強制關(guān)閉時會被上位機監(jiān)測到異常，避免了司機個人目的強制啟動的情況。

5 結(jié)論

目前，市場上酒精監(jiān)測系統(tǒng)種類繁多，但它們大多是是由交警部門人工對駕駛員現(xiàn)場進行酒精檢測，耗時耗力且無法阻止酒駕的發(fā)生。該系統(tǒng)安裝在汽車駕駛區(qū)，當(dāng)駕駛?cè)藛T進入駕駛區(qū)后，立即自啟動，對駕駛員呼出的氣體進行酒精濃度檢測。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的酒精含量是否超標控制汽車繼電器發(fā)動裝置，如果濃度超標則駕駛?cè)藛T無法啟動汽車，車內(nèi)發(fā)出報警聲提示駕駛員及周圍人員，同時酒精超標信息通過系統(tǒng)傳輸?shù)较嚓P(guān)部門。該系統(tǒng)成本低、智能化程度高、工作穩(wěn)定可靠，具有很高的實際價值，從汽車啟動時就及時阻斷了酒駕發(fā)生的可能，極大地避免了安全事故的發(fā)生。同時機動車駕駛區(qū)信息的實時采集與酒精遠程監(jiān)控有利于交通部門監(jiān)管，一旦出現(xiàn)問題可立刻采取措施。

參考文獻：

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[2] 李素芬，李剛，孫景發(fā).模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)及其發(fā)展[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28（4）：72-75.

[3] 楊平，王威.MSP430系列超低功耗單片機及應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2008，27（12）：48-50.

[4] 羅貴英.基于LoRa的水表抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 李時杰，何怡剛，羅旗舞，等.基于LoRa的電氣設(shè)備溫濕度監(jiān)測終端設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（4）：89-91.

[6] 羅吉才.單片機控制的繼電器自動化調(diào)試系統(tǒng)[J].硅谷，2008，1（17）：91.

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