汽车驾驶员酒精浓度监控系统设计

简介前言随着电子技术的迅速发展，特别是随着大规模集成电路的产生而出现的微机，给人类的生活带来了根本的变化。 微机的出现使现代科学研究的质量飞跃起来，单片机技术的出现给现代工业测量领域带来了新的技术革命。 目前，单片机以其可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能仪表、办公自动化等多个领域得到了广泛应用，离开家庭，从洗衣机、微波炉到音响、汽车，到处都能看到单片机的身影因此，单片机的技术开发和应用水平已经成为一个国家工业发展水平的指标之一。我国传感器市场增长率超过15%，预计2003年销售额为186亿元，2006年销售额为283亿元，2007年为325亿元，2008年为374亿元。 我国4种传感器中，工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。 近年来，传感器正处于由传统型向新型传感器转型的发展阶段，新型传感器的特点是小型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，不仅促进了系统产业的改造，还导致了新型工业和军事变革的建立，是21世纪新的经济增长点。随着汽车工业的发展，汽车事故越来越受到各国的重视，在世界各国交通事故的法医学调查研究中，酒后驾驶成为交通事故的重要原因。 各国对酒后驾驶执行了严格规定，但酒后驾驶仍具有普遍性。 针对这一现象，设计了基于MCS51单片机的控制系统，用高灵敏度呼气式酒精传感器测量司机酒精摄入量。 司机体内酒精含量超标时，控制系统会自动切断汽车起动系统，使汽车不能正常起动。 更好地保障交通秩序和人们的移动安全。 构建和谐的交通环境。1引言1.1课题来源从生产/社会现实1.2研究的目的、意义和需要解决的主要问题大学在4年里学了很多有关硬件的课程，像电路学、电子技术这样理论性的东西很多，实际上制作电路的只有电气电子实验的课程，而且在日程生活中的应用几乎没有关系。 这次毕业论文的课题恰好为我提供了学习机会，我们学习了8051单片机的基础知识，所以我向这个方向前进。 但是，因为我们主修的是硬件方面的知识，所以必须在计算机软件方面学习很多有关课题的知识。随着汽车工业的发展，汽车事故越来越受到各国的重视，在世界各国交通事故的法医学调查研究中，酒后驾驶成为交通事故的重要原因。 各国对酒后驾车实行了严格的规定，酒后驾车仍然具有普遍性。 针对这一现象，本设计是一种基于80C51单片机设计的酒精气体浓度探测器，能够测定酒精气体浓度，最主要的用途是测定司机的酒精含量。 酒后开车发生事故的概率达到了27%。 随着酒精摄入量的增加，选择失误率显着增加，血液中酒精含量从0.5增加到1时，交通事故可能性增加5倍，增加到1.5时，可能性进一步增加6倍。 汽车驾驶员的“酒后驾驶”和“醉酒驾驶”容易发生道路交通事故，严重危害了道路交通安全和人民的生命财产安全。 人喝酒后，酒精通过消化道被人体吸收，经过血液循环，约90%的酒精从肺部的呼气中排出，测定呼气中酒精的含量，就能判断其喝酒的程度。 司机把嘴对着传感头呼气，就会显示酒精浓度的高低，可以判断司机是否酒后驾驶，避免事故。 当然，在车内安装这样的测试仪是最好的方法，当驾驶员进入车内时测量驾驶员的酒精含量，当超过允许值时系统控制引擎不再启动，可以从根本上解决酒后驾驶的问题。酒精气体浓度探测器在生产生活中也有重要的应用。 例如，在要求严格环境的生产现场，可以使用该酒精浓度探测器随时测定现场内的酒精气体浓度，当酒精气体浓度超过允许限度值时，发出警报，催促人们换气，从而实现安全的生产。1.3面临国内外发展现状、发展趋势及挑战43页共44页绪论日产汽车日前宣布，应用了预防酒后驾驶技术的新概念车，可以减少因酒后驾驶引起的交通事故的数倍。 该技术能够有效测量司机的觉醒度，采用多种预防措施防止酒后驾驶，在危险时对汽车进行紧急刹车。 概念车在司机和乘客的座位上也安装了酒精臭味传感器，监视车厢内空气中的酒精含量。 当传感器检测到酒精的气味时，导航系统也发出“酒后驾驶”的警告音，导航系统的显示屏上显示“不要酒后驾驶！ 中所述情节，对概念设计中的量体周长进行分析。 为了得到“安全驾驶环境”，日产汽车收集分析了大量的交通事故信息。 日产汽车在防止酒后驾车的技术上做了一系列的努力。 今年6月，日产自动导航系统向司机发出了警告“不要酒后驾驶”的信息警报。 7月，日产汽车公司再次与地方政府合作，通过检查呼吸的手段发现驾驶员的血液酒精含量是否超过标准，用紧急制动装置测试了酒后驾驶员停止驾驶的新型酒精检测器。 为了更有效地减少交通事故，日产汽车现在正在着手开发智能传输系统的项目。 日产汽车到2015年为止，在日本车辆交通事故中使用的保险赔偿预定比1995年减半。国内目前有很多汽车制造商正在着手研究该产品，对于使用该产品的汽车，当驾驶员饮酒操作时，系统会自动发出警报，首先会响起警报铃，液晶显示屏上会自动显示“禁止驾驶”，“请不要为了你和别人的幸福而驾驶”等声音驾驶员必须自行驾驶时，该产品的终端控制系统发挥作用，使汽车停电，该系统解除强制监视，自动恢复汽车行驶功能，直至无法启动的酒精含量低于测定标准。 前景：像安全带一样普及。1.4设计方案本文以80C51单片机为中心，设计了用于测定酒精浓度的探测器，主要研究包括以下三个方面。(1)在硬件电路中，将检测电路按压到气体传感器MQ-3上，连接一定电阻值的负载电阻，检测该技术参数，决定与MQ-3连接的负载电阻的大小，完成信号采样电路的设计，采样出的模拟电压的电信号通过A/D转换， 得到单片机可处理的数字信号，单片机进行相应的数据处理，控制汽车点火器的接通和断开的发光二极管报警显示和3单元8级共阴数字管浓度值显示。(2)在软件中，标准的确定是该部分应做的主要工作。 原始取样值是间接的负荷分压值，因此需要转换成测定的酒精浓度值。 用多个样品的测定决定多个浓度区间的变换基准，将每个区间的变换关系近似于线性化处理后，用软件编程的方法实现。(3)为尽量减少设计气体传感器的测量误差，在测量酒精溶液样品时，应考虑三个主要问题加以解决。 一是流经外界环境的空气对传感器的影响和气体样品的稀释，二是样品稳定性对测量的误差，三是水蒸气对测量的影响。 针对这三个主要问题，提出以下解决方案和验证方法。测量样品时，请将探针尽量放入塑料瓶中，在一定程度上消除流动空气的影响的同时，选择空气流动小的室内环境进行测量。 水蒸气对MQ-3的影响很小，可以通过多次测量只加纯水的塑料瓶来验证。 用相同容量的塑料瓶配制不同浓度的酒精溶液后，密封放置一段时间，稳定后测定。 进而反复测定多组数据，求出其平均值，减小测定误差。系统硬件设计双系统硬件设计2.1单片机开发过程(一)可行性调查。 可行性调查的目的是分析完成这个项目的可能性。 做好这方面的工作，可以参考国内外有关资料，看看有没有做过类似工作的人。 如果有的话，可以分析别人是如何做这方面的工作的，有什么优点和缺点，有什么值得参考的，如果没有的话，还需要进一步调查。 此时的重点是能否实现这个环节，首先从理论上分析，探讨实现的可能性，是否有必要的客观条件，并结合实际情况，决定是否能够设立项目。(2)系统整体方案的设计。 在进行可行性调查后，如果能够制定项目的话，以下的工作就是系统整体方案的设计。 工作重点应放在本项目的技术难度上，此时参考这方面更详细具体的资料，根据系统的不同部分和应实现的功能，借鉴国内外同类产品的性能，提出合理可行的技术指标，编写设计任务书，完成整个系统的方案设计。(3)细分设计方案，确定硬件和软件功能。 全体方案确定后，下一步的工作是细分这个项目，有必要明确哪个部分用硬件完成，哪个部分用软件完成。 由于硬件结构和软件方案相互影响，简化了电路结构，降低了成本，降低了故障率，提高了系统的灵活性和通用性，因此提倡尽可能完成软件实现的功能，但是， 应认为软件世代硬件的本质是以降低系统的实时性、增加处理为代价，增加软件设计费用、开发周期，系统的硬件和软件功能分配应根据系统的要求和状况进行合理安排和统一考虑在确定硬件和软件功能的基础上，设计者的工作涉及到具体问题，如设备体积和具体技术指标的硬件实现方案、软件总体规划等。 人员分工、工作进度、界面参数确定后，应考虑硬件软件的具体问题。(4)单片机的应用系统经过调查、整体设计、硬件软件设计、制版、部件安装，在系统的程序存储器中装入制作的应用程序，系统就可以运行。 但是，一次成功几乎是不可能的。 单片机在运行程序时无法手动控制，因此为了能够调试程序，需要利用某种开发工具模拟用户的实际单片机来检查硬件、软件的运行状况2.2硬件系统框图为了利用基于80C51单片机的MQ-3型气体传感器实现酒精气体浓度的测量，需要MQ-3气体传感器和用于在负载电压下得到分压电信号的信号收集模块。 信号转换模块将收集的模拟电压信号转换成能够由单片机处理的数字信号。 数字代码管理显示模块是单片机处理后的数字信号的显示部，显示酒精的浓度。 警报模块是对设定值发出警报的功能，以发光二极管显示。 已经对每个功能模块进行了设计，图1示出了整个系统的框图。酒精气体传感器LM3914战斗机发光二极管ADC0809单片机电脑数字管道继电器图1系统整体框图2.3信号收集电路2.3.1气体传感器的选择根据所检测的气体，气体传感器可以分类为以下三种类型：(1)可燃性气体传感器。 目前，这种气敏传感器的需求量最大，包括各种无机和有机气体检测，主要应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气净化剂等方面，形成生产规模，在油田、矿区、化工、企业和家庭等生产和生活领域广泛应用于气体泄漏报告的推广，尤其应用于家庭气体泄漏报警，需求量增加(2)CO和H2气体传感器。 CO气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等CO泄漏和不完全燃烧检测报警的H2气敏元件除应用于工业等领域外，主要用于家庭管道气体泄漏报警。 我国管道气体中H2含量高，但氢敏元件价格低于氧化碳元件，灵敏度高，因此将氢敏元件用于城市管道气体泄漏报警更为合适。(3)毒性气体传感器。 毒性气体传感器也称为环境有毒气体传感器，主要用于检测烟、废气、废气等环境污染气体，但SnO2气体传感器对CO、H2S等有害气体敏感，但使用最多的是电解式化学传感器。传感器的分类方式有很多种，以上根据被检测气体的性质来分类，还根据元件的物理特性来分类。新的气体检测系统应该包括：(1)一种基于一种或多种传感技术的气体传感器。(2)组合了气体传感器和采样调整电路的探针。(三)载人机接口软件的中心监控和控制系统。(4)在一些应用中，与其他安全系统和设备的接口。本设计中的酒精气体传感器采用河南汉威电子有限公司的MQ-3型，是MQ系列气敏元件的一种。 如图2所示图2 MQ-3特征点：的检测范围是10ppm2000ppm，灵敏度高，输出信号为伏特，响应速度快不到10秒功耗不到0.75W瓦，尺寸： D17*H10。MQ-3型气体传感器的敏感部分由金属氧化物(二氧化锡)的n型半导体微晶烧结层构成。 当被测气体的醇分子吸附在其表面上时，表面传导电子的比例发生变化，其表面电阻随着被测气体浓度的变化而变化。 这种变化是可逆的，所以可以重复使用。MQ-3的灵敏度特性曲线如图3所示。图3 MQ-3灵敏度特性曲线如图4所示，检测电路在电源开关s断开时，传感器加热电流为零，实测a、b之间的电阻大于20M。 s变为on时，f、f之间的电流从开始时155mA稳定到153mA。 加热开始数秒后，a、b之间的电阻急速下降到10K以下，再上升到120K以上并保持。 此时，将酒精溶液样品接近MQ-3传感器后，数字万用表的显示值立即从120K以上下降到10K以下。 拆下玻璃瓶经过1分钟左右后，a、b之间的电阻恢复到120K以上。 这种反应可以重复实验，但要注意使空气恢复干净的状态。 经过实验反复检验，MQ-3传感器可以正常工作使用，不同浓度的酒精溶液有变化，响应时间和恢复时间正常，可以开始设计信号采样模块电路。图4 MQ-3检测电路2.3.2信号采样电路信号的采样模块电路如图5所示。 MQ-3的加热电阻的两端即h端子与5V直流稳压电源连接，用于通过电阻线加热介质电阻。 MQ-3的2个a引脚连接，成为传感器电阻的1个电极。 MQ-3的2个b引脚也连接在一起，成为压敏电阻的另一个电极。 将电极端a连接到电源正极，将电极端b连接两个270并联的电阻。MQ-3型气体传感器与电位器串联构成分压电路，采样点为电位器的分压。 MQ-3型气体传感器的敏感部分由金属氧化物SnO2的n型半导体微晶烧结层构成。 当被测气体的醇分子吸附在其表面上时，表面传导电子的比例发生变化，其表面电阻随着被测气体浓度的变化而变化。 这种变化是可逆的，所以可以重复使用。 气体传感器的传感器电阻值发生变