酒精气体智能报警系统(LED显示)

1、在此处键入摘要随着交通行业技术的发展，以及汽车保有量的增加，汽车给人类带来舒适和便捷的同时，也给人类带来了交通事故频发等交通安全隐患，如酒后驾驶、无照驾驶、违规驾驶等，严重威胁着人类生命和财产安全。 本文在研究国内外防止酒后驾驶技术的基础上，针对酒后驾车导致交通事故频发的事实，设计一种基于单片机的智能防酒后驾驶控制系统。系统先检测司机呼出气体酒精浓度，显示检测结果，并据此执行相应的控制。本次设计主要完成以下几个方面的工作： （1）根据该系统的实际目的和系统装置所使用的特定环境，选择燃料电池型酒精传感器作为检测驾驶员呼出气体酒精含量的工具； 采用合适的仪表放大器、单片机、显示模块、报警模块、继电

2、器驱动模块设计硬件系统； （2）在 Keil uvision4基础上编写完成系统的软件设计，并进行编译调试；（3）在proteus环境下对系统进行仿真（4）整合调试软硬件，并调试检验。 实验表明：酒精传感器模拟信号输出经 A/D 转换为数字信号被AT89系列单片机采集，据传感器输出电压与酒精浓度的对应关系式，系统软件能精确地将该电压信号换算成酒精浓度值，并将该值与电压值由数码管显示。酒精浓度超标时，报警模块启动并发出警告，主控制器控制继电器切断启动机电源，实现了本研究的设计目标和要求。基于 单片机的智能酒后驾驶闭锁系统工作性能稳定可靠，为交通安全提供了主动性防护保障，具有一定的实用价值。 关键

3、词：汽车；酒后驾驶；单片机；0 前言0.1本课题的背景、目的、意义 2008年世界卫生组织的事故调查显示，大约50%60%的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。在中国，每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起；而造成死亡的事故中50%以上都与酒后驾车有关，酒后驾车的危害触目惊心，已经成为交通事故的第一大“杀手”。2010年8月，十一届全国人大常委会第十六次会议将首次审议刑法修正案（八）草案，醉酒驾驶或被判刑。我国对于这方面的研究比较少。鉴于国内目前这种现状，这种能够自我预防，自我保护的系统拥有广阔的市场及其前景。同时政府也会给与大力的财力支持与技术支持，各大汽车厂家也会

4、期待产品的最终研究结果及其使用性，然后与之合作。这种利国利民的举措最终能不能够投入的生产，最后达到普及，这就要靠我们不断的研究，不断的改进，最终能够满足社会的需求，达到人民的满意。0.2研究内容本课题将研究基于AT89C51单片机控制的酒后驾车避险系统，重点对酒精检测电路，超标报警电路，汽车自锁控制电路的研究。其中有一下几个难点值得注意：（1）、酒精传感器的选型及其酒精检测电路的设计；（2）、单片机对信号的采集及其处理；（3）、自锁控制电路的设计。具体完成的内容：（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

5、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。1 总体方案设计在系统构建过程中，需要考虑稳定性、复杂程度、造价和调试的难易程度等因素。硬件部分分为四大块，包括非电信号数据的采集、转换、处理以及显示:。通过对设计的了解，选择适合的器件，画出原理图。1.1 系统的总体框图AT89C52单片机LED显示ADC0809酒精传感器放大器 警告提示 控制

6、转换电源供电驱动继电器汽车引擎电源图1 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，其主要任务是采集酒精传感器的输出电压信号，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，能够通过LED显示传感器的输出电压值，并通过报警模块和驱动继电器动作，切断汽车引擎电源。2 硬件电路设计2.1各器件的选型2.1.1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

7、）、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型。 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GA307-2001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。

8、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。2.1.2单片机的选型目前最常用的是 AVR、MCS-51、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7Intel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

9、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AT89C51、AT89C52等成为了当今最流行的八位单片机。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。2.1.3模数转换芯片的选型AD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。 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

10、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。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表 示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。 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（S

11、AR）通过8次迭代去大约逼近输入电压，只要输出是几位，那么就需要几次迭代。SAR通过8组开关组和比较器完成获取输入电压对应参考电压的数字信号。基于本次设计的要求，选用ADC0809模数转换芯片。2.2芯片的主要技术性能特点 2.2.1AT89C52的主要技术性能特点AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。而在本次设计中只需要用到最基本的4个输入输出I/O口功能。通过汇编或是C语言编程，可以用指令对单片机的各输入输出进行控制

12、，还可以进行各种基本运算。AT89C52单片机各引脚功能如下：图2 AT89C52单片机引脚图2.2 .2模数转换芯片ADC0809的性能特点ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 （1）ADC0809的内部逻辑结构由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换

13、完的数据。图3 ADC080内部逻辑图ADC0809 是一个典型的8 位8 通道逐次逼近式数模转换芯片，可实现8 路模拟信号的分时采集，外接时钟频率一般不高于640 KHz，一次数据转换时间大约为100 s。ADC0809数据采集方式有3 种：延时，查询，中断。它们在电路连接和程序编写中都有所不同。3 酒精智能报警系统设计3.1 信号采集放大电路设计本次选用的酒精传感器为燃料电池型酒精传感器，该燃料电池型酒精传感器基于电化学原理制备而成，电路仅需要电池就可以满足其工作。传感器输出为模拟电压信号，首先通过仪表放大器AD623放大，最后把已放大的模拟电压信号传输至ADC0809的输入端进行模数转换

14、(A/D)。仪表放大器选用的是AD623,它可以采用单电源供电，外接电阻后增益最高可达1000倍，放大倍数与增益电阻的关系式如式（3-1）为：G =1+100 K/R。AD623放大器是美国模拟器件公司（Analog Devices Inc,简称ADI）推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压的最新放大器，其主要特点为： （1）在单电源312V下提供满电源幅度输出，使设计更为简单； （2）虽为单电源工作方式优化设计，但在±2.5V±6V双电源时，仍有优良性能； （3）增益通过一只外接电阻可方便地调节。无外接电阻时，被设置为单位增益（G=1），接入电阻时，增益可高达1

15、000； （4）共模抑制比随增益的增加而增大，保持最小误差； （5）低功耗，宽电源电压，适合电池供电电路，线性度、温度稳定性、可靠性好 ；（6）具有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于地电平150mV的共模电压信号 ；（7）高精度直流、交流性能。 AD623的基准电压连接在微功率二端带隙稳压管二极管LM385的输出端上，这样有利于系统的稳定，因为LM385有非常强的稳压功能，稳压范围可稳住上下波动40mV的电压。而且LM385具有非常低的动态阻抗，功耗低，特别适用于变化范围很大的电源和具有优异调整能力的场合，非常适合用于微功率电路。信号采集放大电路如图所示： 图4 信号采集放大电路3.2 数码

16、管显示电路设计 （1）八段数码管八段数码管比七段数码管多路一位小数点，实际是8个LED摆放排列而成。本次设计用的是共阳极的数码管。右图是其结构原理图。（2）74LS47译码芯片74LS47是常用的BCD对七段显示器译码器/驱动器，可对共阳极七段数码管进行译码功能。引脚图如右图图所示例。其四位BCD码与对应的译码及数码管显示关系为：DCBA=0000,abcdefg=1000000，数码管显示0；DCBA=0001,abcdefg=1111001，数码管显示1；DCBA=0010,abcdefg=0100100，数码管显示2；DCBA=0011,abcdefg=0110000，数码管显示3；DC

17、BA=0100,abcdefg=0011001，数码管显示4；DCBA=0101,abcdefg=0010010，数码管显示5；DCBA=0110,abcdefg=0000011，数码管显示6；DCBA=0111,abcdefg=1111000，数码管显示7；DCBA=1000,abcdefg=0000000，数码管显示8；DCBA=1001,abcdefg=0011000，数码管显示9；数码管与译码器及单片机接口如下图所示： 图5 数码管与译码器及单片机接口3.3 报警电路设计酒后驾驶智能闭锁系统当由AT89C52单片机的P2.1口检测到人体内血液酒精浓度超过0.2g/L，即呼出气体中酒精含

18、量为47.43ppm时，将控制报警器发出提醒安全指示。 图6 报警电路3.4 继电器驱动电路设计当检测到人体内血液浓度超过标定值时，那么酒后驾驶智能闭锁系统将驱动继电器动作（电路设计中由单片机的P2.0口控制继电器），切断汽车引擎电源，从而有效的防止驾驶员酒后驾车。继电器驱动电路原理图如下图，继电器为双刀双掷小功率电磁继电器，额定电压3V24V,额定电力消耗200mW360mW。图7 继电器驱动电路3.5 系统总体硬件电路图图8 系统总体硬件电路图4 系统软件设计 开始4.1主开始开始开始程序开始程序初始化调节电位器仪表放大器放大处理A/D转换线性化处理是否超过报警限度 Y报警处理驱动继电器

19、N电压值显示断开启动机电源图9 主程序流程图4.2 源程序设计 #include<reg52.h>#define ui unsigned intsbit U4_OE=P34;/对各控制引脚进行定义；sbit U4_EOC=P35;sbit U4_ALE=P36;sbit U4_START=P37;sbit U3=P20;sbit R5=P21;void delay(ui x) /延时子程序，延时时间由实参传值确定；ui i;while(x-)for(i=0;i<10;i+) ;/主程序；void main()void display5in0(ui zhi);/各个子程序的声明

20、，延时程序在前则不必；void warning();void AD_IN0();ui aa;U3=1;R5=1;while(1)/设置大循环，模数转换不停进行； AD_IN0(); /调用通道0转换子程序； aa=P0; /将转换后的数字量给变量aa； if(aa=0xff)/判断是否超出量程； warning();/超出则调用警告子程序； else display5in0(aa);/*调用通道0的5V显示子程序；*/ /5V量程通道0显示程序；void display5in0(ui zhi)ui shu1,shu2;shu2=zhi/51; /对数字量除以256，再乘以量程5，则为显示值的个

21、位； shu1=zhi%51;/求上次运算的余数；shu1=shu1/5;/余数乘以10，乘以5，再除以256，表示小数点位；if(shu2>2|(shu2=2&&shu1>=4) U3=0; R5=0; else U3=1;R5=1;shu2=shu2+0x20;/个位和片选信号相加，0x20是二进制0010 0000，对低四位BCD数据值不影响，即P1.5选中一片数码管点亮；shu1=shu1+0x10; /四位BCD值加上片选信号，0x10选择P1.4对应数码管；P1=shu2;/点亮一片数码管，显示个位数值，其它均关闭； delay(1);/稍加延时，1毫秒

22、以内； P1=shu1;/点亮另一片数码管，显示小数位数值，其它的关闭； delay(1);/稍加延时；/超出量程警告程序，若判断超出量程，数码管显示零并闪烁；void warning() P1=0xf0;delay(3000); P1=0xff; delay(3000);/通道0转换程序void AD_IN0() P3=0;/通道0地址 U4_ALE=1; U4_ALE=0;/地址所存；U4_START=1;/启动转换；U4_START=0; while(U4_EOC!=1) /判断转换是否完成； ;/未完成则等待；U4_OE=1;/完成则输出数字量； 5 系统软硬件调试5.1系列单片机软件

23、开发及调试工具单片机的程序设计需要在特定的编译器中进行。编译器完成对程序的编译、连接等工作，并最终生成可执行文件。对于51单片机程序的开发，一般采用Keil公司的Vison系列的集成开发环境。Vison系列开发工具目前的最高版本是Vison3，支持汇编语言以及C51等的程序设计。5.2硬件系统仿真工具 Proteus就是一款功能强大的EDA仿真软件。它拥有丰富的库元件，尤其是动态外设的仿真极大地补充了其他仿真软件的不足；虚拟工具箱的引入为仿真测试提供了方便。本文以51单片机为例具体分析了该软件在仿真微处理器及其外设硬件方面的独到之处，protues能有效的仿真51单片机及其常用外设硬件，大幅提

24、高开发效率和降低开发成本。5.3仿真电路图及仿真结果图10 仿真电路图11 仿真电路（输入电压低于2.3V）当输入电压低于2.3V时，继电器开关无动作，蜂鸣器无反应图12 仿真电路（输入电压高于2.3V）当电压高于2.3V时，继电器开关动作，切断引擎电源，蜂鸣器发出声响6 结论（1）从主动安全角度提出了设计酒后驾驶智能闭锁系统的方案，并对方案进行了优化设计； （2）依据方案设计思想，设计了基于 AT89C52单片机的硬件系统，实现了语报警模块、数码管显示和继电器驱动等的控制电路功能。报警模块功能为当检测到酒精浓度超标时，能够经蜂鸣器发出警告提示；数码管显示模块能够显示呼出气体中酒精含量值；继电

25、器能够在检测到酒精浓度超标时，及时切断汽车引擎，禁止启动汽车； （3）基于 keil uvision4编译器基础上编写了整个软件系统，主要包括酒精传感器模拟电压输出采集处理子程序、显示子程序、报警及驱动继电器驱动等子程序； （4）通过系统软硬件的结合调试，在拟定酒精传感器输出电压曲线特性的基础上，经过实验验证，当酒精浓度超过 47.43ppm 时，数码管显示该酒精浓度值，报警提示，对应继电器的红灯亮，同时继电器切断汽车引擎电源； （5）通过软硬件的系统设计和整个系统的实验检验表明：采用燃料电池型酒精传感器能够准确测得驾驶员呼出气体的酒精浓度含量，并能够智能控制，当驾驶员呼出气体酒精含量超标时，

26、切断汽车引擎电源，减少交通事故的发生，营造和谐的交通环境。参考文献1金融界.机构预测：2010 年全球汽车10 亿. /01/161622552454.shtml.2008 年 1 月 16 日.2郝建勋.道路交通事故分析方法应用研究D：吉林：吉林大学，2008. 3姬利娜，董玉佩.基于道路因素的交通事故预防对策分析J.交通科技与经济，2008（5）: 90.zdt/2008-01/04/content_850272.htm.2008 年 1 月 4日. 4丁舒平，余同进.道路交通事故的间接成因分析J.公路交通科技，2009（3）：169.5王宇峰.国内外智能交通系统研究现状简介J.硅谷，20

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