基于单片机防酒后驾驶控制系统设计毕业设计

基于单片机防酒后驾驶控制系统设计毕业设计资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。软件+机电(4)软件+机电(4)班兰明张海云软件学院基于单片机防酒后驾驶控制系统设计毕业设计(论文)诚信声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,本设计(论文)中不包含其它人已经发表和撰写的研究成果,也不包含为获得华东交通大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为,本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名导师签名年月日华东交通大学毕业设计(论文)任务书姓名张海云学号18毕业届别专业软件+机电毕业设计(论文)题目基于单片机防酒后驾驶控制系统设计指导教师兰明学历研究生职称实验师具体要求:(1)基本要求:应用单片机技术设计一个基于单片机的防酒后驾驶控制系统设计。系统能经过高灵敏度的呼气式酒精传感器检测司机的酒精摄入量,当司机体内酒精浓度超标时,控制系统会自动切断汽车启动系统,使汽车无法正常启动。系统可显示司机摄入的酒精浓度,并具有实时监测和光电、语音报警功能。(2)创新性要求:能够使用Protel99SE绘制电路原理图和印刷电路板PBC;能够应用KeiluVision源代码编辑、调试;最后进行软件和硬件总调试,将HEX文件下载到单片机内。完成论文的写作。有条件的情况下,做成产品。1、功能逻辑框图一张2、原理图纸一张(具体元器件引脚连接)3、印刷电路板一张4、程序流程图一张进度安排:()第13~18周审题、调研,收集文献资料,了解系统开发(单片机综合应用)的意义及需求、熟炼掌握Protel99SE和KeiluVision2两应用软件的使用。()第1~3周开题报告、英文资料的翻译第4周配置开发环境并熟悉该环境下的编程语言(汇编语言或C语言)第5~9周硬件设计(原理图和印刷电路板)、编写程序代码第10~11周调试、修改程序第12~14周撰写论文初稿第15周整理论文初稿,排版并打印初稿第16周修改论文,定终稿,并准备论文答辨指导教师签字:年月日系意见:教研室主任签字:年月日题目发出日期设计(论文)起止时间附注:学院意见:同意发布题目□是□否毕业设计领导小组组长签章:华东交大毕业设计(论文)开题报告书课题名称基于单片机防酒后驾驶控制系统设计课题来源B课题类型Y导师兰明学生姓名张海云学号18专业软件+机电开题报告内容:一、选题意义近年来随着经济迅速发展,人们的生活水平日益提高,私家车也越来越多,各种应酬随之而来,”酒”这东西贴近了我们的生活。而酒后驾车也频频发生,给人们的生活和生命安全带来了巨大的伤害。据德国一家调研机构预测,全球汽车(包括个人用车和商用车)保有量最迟到年将突破10亿量。随着汽车保有量的增加,交通事故也在不断的增加,全世界每年约有120万人死于道路交通事故,受伤者多达5000万人,同时全球道路交通事故每年造成的直接经济损失为5180亿美元,可见道路交通安全问题已成为全球性的主题。随着汽车使用量的增加和道路交通事业的发展,也给社会带来了负面影响,其中道理交通事故就是其中之一。当前中国汽车保有量约占世界的2%,但交通事故死亡人数却占15%左右,同发达国家相比,中国的道路交通安全形式严峻。截至到年,虽然中国加强了预防交通事故的措施,可是交通事故数量还是相当惊人。世界卫生组织的事故调查报告显示,大约50%-60%的交通事故与酒后驾驶有关。酒后驾驶已经被世界卫生组织列为车祸致死的首要原因。在中国,母国勇分析了中国年交通事故原因,明显指出驾驶员是造成交通事故的主要原因。牟建霖指出中国机动车驾驶员酒后驾车约占20%,每年因酒后驾车发生交通事故死亡人数超过5000人。赵卫兴,高岩等人分析了1994～年酒后驾驶死亡人数占交通事故总死亡人数的比例,指出该比例从1994年的2%上升到的4.4%,平均每年以7.3%的速度增长,可见酒后驾车的危害触目惊心,已经成为引发交通事故的罪魁祸首。刘水桂,何作顺指出,据世界卫生组织预测,到2020年道路交通事故伤害将成为全球第3位疾病,人、车、路三者在特定的环境里构成其成因,特别是驾驶员,是导致车祸的主要因素,而驾驶员酒后驾驶又是其中的重要因素。为了能够有效的防止酒后驾驶造成的此类危害,研究一种酒后驾驶智能闭锁系统是非常必要的,从而能够强制性防止酒后驾车,降低交通事故的发生率。对于酒后驾车这种现象,张玮指出虽然各个国家都对酒后驾车执行了严格的规定,可是还有很多人不能严格遵守这个规定,酒后驾车事件还是很频繁,因此研究这种能够自动防止酒后驾车的装置更为必要。本研究设计的智能闭锁系统,能够经过高敏度的呼气式酒精传感器,经过检测司机呼出气体的酒精含量当检测到司机呼出气体内酒精含量超标时,能够阻止驾驶员开启汽车引擎,使汽车无法启动,同时语音报警,提醒驾驶员”注意安全,不要酒后驾车”,从而有效减少交通事故的发生,提高中国道理安全水平,更好地保障我们的交通秩序,保护人们的出行安全,构建和谐的交通环境。据来自某国际组织的一项统计数据显示:每33分钟就会有一人死于与饮酒有关的交通事故。尽管有大多数人认为酒后驾车酿成的交通事故永远不可能发生在自己的身上,但专家的统计结果证明:在每个人的一生中卷入与喝酒有关的交通事故的可能性为30%。显而易见,饮酒与开车是多么可怕的致命结合,正是由于酒后开车这个”罪魁祸首”使得一幕幕本不该发生的惨剧接连上演,造成一个个幸福美满的家庭支离破碎。虽然中国现行法律规定对酒后驾车造成重大伤亡事故的肇事者,追究其刑事责任,可是对没有造成重大伤亡事故的酒后驾车者的惩罚比较低,最多也只是拘留15天处罚。由于这种轻微的处罚根本不足以引起驾驶员的重视,因此酒后驾车者还是比较多。酒精在人体血液内达到一定浓度时,人对外界的反应能力及控制能力就会下降,特别是处理紧急情况的能力下降。驾驶员血液中酒精含量越高,发生撞车意外的机会越高。根据来自4538位新浪网友的调查显示,有81.29%的被调查者同意酒后驾驶属于违法行为,但在被问及是否有过酒后驾驶行为时,仅有20.63%的被调查者从未有过酒后驾车的行为。在被问及酒后驾驶人员存在何种心理时,有39.84%的被调查者认为酒后驾驶人员过高的相信自己的驾驶技术,27.35%的被调查者认为酒后驾驶人员的安全意识不强。另外,有18.97%的被调查者认为酒后驾驶人员存在侥幸心理。针对这种现象,很有必要研究一种专门协助司机安全驾驶的辅助工具,即防酒后驾驶的智能闭锁装置,能够适时提醒司机安全驾驶,更避免了因盲目自信而导致的交通事故,创造人类的美好生活和社会的和谐,中国梦——美丽中国。二、国内外发展现状2.1国外研究现状2.1.1现场检测酒金含量的方法针对司机酒后驾车事故频繁的现象,国外最早开始研发针对酒后驾驶的酒精测试仪。1957年1月23日,世界上第一台醉酒呼吸分析仪在瑞典首次投入使用,它能够当场直接测试。它能检测出司机呼出气体中的酒精含量,并将这一结果显示于仪器的显示屏上。交警据此判断该司机是否酒后驾驶。当前,英国、澳大利亚、比利时、法国、荷兰、新西兰、西班牙、瑞典等欧洲国家,普遍采用的办法是在交通事故现场,交警随身携带呼气式酒精测试仪,对司机呼出气体中的酒精含量进行快速检测,根据检测结果进行事故处理并给予驾驶员一定的惩罚。为了能够协助驾驶员主动测试是否酒后驾驶,国外许多国家先后研究了用于汽车上的不同酒后测试办法。2.1.2车载检测驾驶员是否饮酒技术英国布里斯托尔大学生理学家霍尔瓦特设计了一种高智能座驾,其上装有一套名为”个人警察”的监察系统,由红外线摄像机、感应器和带有电脑分析功能的”小黑箱”组成。经过”小黑箱”摄像机录制的司机眼球活动情况以及感应器侦察到的方向盘扭转动作集中起来进行分析,从分析方向盘转动情况仪器中获得的信息与从扫描司机瞳孔移动装置获得的信息发生联系并进行比较,经过这一对照完全能够确定司机是否头脑清醒。根据司机审视行车方向长短,判定司机的醉酒程度。意大利主要方法是在车上配备酒精检测MEMS传感器,将MEMS传感器置于方向盘的中间位置,酒精检测MEMS传感器将元件植入在直径8mm的密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内,经过该传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量。瑞典绅宝用附带酒精检测功能的钥匙组件”Alcokey”,在汽车遥控器内部嵌入小型酒精测试器,当司机按下遥控车钥匙的时候,该探测器就会同时开始工作。检测司机饮酒度的方法是:司机必须向测酒钥匙的底部呼气检测呼气酒精含量。最近瑞典豪华品牌沃尔沃汽车公司推出车载酒精检测系统,它经过一个无线手持设备检测驾驶者呼出空气中的酒精含量,从而判断驾驶者血液中的酒精浓度。而日产的反酒后驾驶控制系统命名为Carwings的车载蓝牙综合安全系统,该套系统主要是把酒精测试声纳安置在变档器上,能够经过对眨眼情况探测分析出司机清醒状态的面部识别系统,以及对驾驶情形进行探测分析,系统能够做出感应。日本汽车业巨头丰田将研制一种装在机动车辆上的防酒后驾驶系统。2.1.3车载防止酒后驾驶技术英国经过车载”个人警察”的监控系统,根据司机审视行车方向的长短,从而来判断司机的醉酒程度,来判断是否发出报警信号或使汽车无法启动。意大利经过置于方向盘内的MEMS酒精传感器检测驾驶员呼出气体酒精浓度,当检测其超过安全驾驶标准时,使汽车无法启动。瑞典绅宝主要方法是利用带有酒精检测功能的钥匙组件”Alcokey”,当司机按下遥控车钥匙时,该探测器就开始工作,司机必须向测酒钥匙底部呼气,当检测到呼气酒精含量超标时,无法向车辆控制组件发出解除警报信号,从而使汽车无法启动。沃尔沃的车载酒精检测系统,是把该检测系统的结果经过无线传感技术传给汽车的电子控制系统单元,当酒精含量超过系统中的设定值的上线,该系统将阻止启动动机。而日产的防酒后驾驶控制系统经过变档器上的探测声纳探测司机手上的汗液中含有酒精,便会自动上锁,并经过车内的声音报警发出”酒后驾车”的声音提示,该系统还能够经过对司机的脸部活动和行车状况探测出司机是否酒后驾车,并会发出报警声,并自动收紧安全带,同时导航系统中显示”不要酒后驾车”信息。2.2国内研究现状酒后驾车严重危害交通安全,为检查醉驾,警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪,中国警方当前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾驶员是否饮酒,有醉驾嫌疑的驾驶员还需要接受血检,以确定其体内酒精含量是否超标。如何做到防范于未然?近年来,中国也开始逐步采用科技手段防止酒后驾驶。青岛盛源达电子科技有限公司最新研究开发、投入生产的”汽车酒后控驾防盗器”是国内新型高新技术。具有酒后报警控制驾驶和高级防盗双重功能,该技术已申请国家专利。酒后控驾防盗器是一款汽车专用酒后安全驾驶的检测和预防设备,同时具有高级防盗功能。在车辆上安装酒后控驾防盗器之后,驾驶人员在车辆启动前需要进行吹气检测,当呼出的气体中酒精浓度高于国家交通部门制定的标准时,能及时断开点火电路和发出报警声,并用延时装置使驾驶人员能有机会休息以便醒酒,能有效地防止酒后驾车,该设备不受同车饮酒人员的影响。若从机动车上取下设备,即使有钥匙汽车也无法发动,为汽车增加了一层安全保险,从而实现了防盗功能。本产品采用呼出气体酒精含量测试仪是专用于测试人体呼出气体中酒精含量的仪器。本机敏感元件采用兆度电子先进的纳米半导体热线型酒精传感器,具有极好的灵敏度和出众的重复性;测试程序由人工智能设计的微电脑控制。中国对于这方面的研究还是相对比较少,香港一家公司创造了一种名为i—KEY的车钥匙,能够有效而方便地防止醉酒驾驶。这种钥匙将感应器、远程信息处理等技术整合在车钥匙上,从外观看,它比正常的车钥匙多了一条锁棒。使用时,司机要先按i—KEY上的开始按钮,绿色准备灯亮了之后,对着气孔吹气约两秒钟。当呼出气体的酒精含量低于规定值时,它会立即开锁,把锁棒收起来,车钥匙便能顺利插入钥匙孔,启动引擎。否则,钥匙将亮起红灯,锁棒便不能收起来,汽车将无法启动。当前,国家交通技术领域正在开发研究驾驶行为监控预警技术和装备,研究内容:驾驶状态及车辆运行状态与环境实时检测技术,异常驾驶状态实时识别技术,驾驶意图、行为预测及违规操作判别技术,危险驾驶行为的预警方法与技术,驾驶行为监控预警系统集成技术。研究目的:经过研发异常驾驶状态、违规操作、不良驾驶习惯等检测预警系统与装置,形成驾驶人行为的实时监控技术,为有效减少道路交通事故提供技术支撑,从而开发适用于驾驶行为监控系统原型样机,并将经过实车实验验证。三、基于单片机防酒后驾驶控制系统简介及工作原理3.1基于单片机防酒后驾驶智能闭锁系统简介该系统由酒精传感器、ADC0809转换器、89C52单片机控制器、语音报警、LED显示、继电器以及电机等构成。主要研究了对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理。将采集到的模拟电压信号经A/D转换,送入单片机,经过单片机进行控制计算输出控制信号;当司机体内酒精浓度超标时,该系统能够自动切断汽车启动系统电源,同时发出声光报警,并经过数码管实时显示酒精浓度,实现了自动控制功能。该系统需要驾车者在汽车点火前先进行吹气测试,如果测试结果超过安全水平,汽车将不能开启,该装置能够用来防止有酒后驾车的人再次犯错。3.2系统工作原理本研究设计的酒后驾驶智能闭锁系统,采用燃料电池型酒精传感器,经过该酒精传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量,判断是否超过安全驾驶标准,而且要求经过硬件系统处理,能够显示该酒精浓度,使驾驶员能够清楚的看到已经饮酒过度,因此需要选择一种显示仪器来显示驾驶员呼出气体酒精浓度值,基于这种要求,本次设计选用LED显示模块。为了能够警示驾驶员不要酒后驾驶,本系统中需要设计一种报警系统,能够在驾驶员欲酒后驾驶时,发出警告提示。该智能闭锁系统的最主要功能是为了当检测到司机呼出气体内酒精浓度超标时,能够自动切断汽车引擎电源,因此需要一种执行机构能够自动的切断汽车引擎电源,本次设计选用继电器来达到这个目的,经过继电器的动作来控制汽车引擎电源是否开启。经过选用本方案中的元件,该智能闭锁系统能够经过快速检测驾驶员呼出气体的酒精浓度是否超标,经过单片机的放大、采集处理检测驾驶员呼出气体酒精含量是否超标,当检测到驾驶员饮酒过度时,能够显示酒精浓度值和报警提示不要酒后驾车,并快速切断汽车引擎电源,停止启动发动机。3.3课题设计意义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。随着中国公路运输业的发展,同其它国家相比,中国的道路交通安全形式更为严峻,特别是由酒后驾车导致的交通事故发生率比较高。因此,从主动安全角度出发,禁止酒后驾驶人员启动汽车引擎,成为在车辆发生事故之前排除隐患的重要研究课题。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。四、课题设计内容1．具体内容(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。 2．设计工作量使用Protel99SE绘制电路原理图和印刷电路板PBC应用KeiluVision源代码编辑、调试;有条件的情况下,做成产品设计计算说明书编写(初稿、终稿)各一本五、方法及预期目的方法:整个单片机应用系统的设计,分为硬件电路设计及软件编程设计两大部分。其中,硬件设计部分包括酒精传感器、A/D转换器与单片机接口电路设计、单片机及存储器电路设计、显示电路设计、报警电路设计等;软件设计部分包括系统主程序设计、数据采集及数字滤波子程序设计、酒驾预警子程序设计、显示及报警子程序设计等,均采用51系列汇编语言编程实现。预期目的:确定酒精传感器超标酒精最低浓度,完成对驾驶员酒精浓度实时检测、显示与警报,而且当检测到司机呼出气体内酒精浓度超标时,能够自动切断汽车引擎电源,防止驾驶员酒后驾驶。六、进度安排:第1～3周:对该系统进行需求分析确定其所需实现的功能,完成文献综述和开题报告;第4周:审查系统功能需求,进行系统的总体结构设计;第5～6周::进行系统的概要设计和详细设计;完成硬件部分的设计;第7～9周::编写代码,进行单元测试;第10周::进行整体测试,并逐步完善系统;第11～13周:撰写毕业论文初稿;第14周:修改论文,撰写毕业论文终稿;第15～16周:提交毕业设计及论文,进行答辩。指导教师签名:日期:课题来源:(1)A—真实课题(应列明课题的来源与级别);B—自选课题;课题类型:(2)X—理论研究;Y—应用研究。华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(1)姓名张海云学号18专业软件工程+机械电子工程毕业设计(论文)题目基于单片机防酒后驾驶控制系统设计指导教师评语:得分指导教师签字:年月日评阅人评语:得分评阅人签字:年月日

华东交通大学毕业设计(论文)评阅书(2)姓名张海云学号18专业软件工程+机械电子工程毕业设计(论文)题目基于单片机防酒后驾驶控制系统设计答辩小组评语:等级组长签字:年月日答辩委员会意见:等级答辩委员会主任签字:年月日(学院公章)注:答辩小组根据评阅人的评阅签署意见、初步评定成绩,交答辩委员会审定,盖学院公章。”等级”用优、良、中、及、不及五级制(可按学院制定的毕业设计(论文)成绩评定办法评定最后成绩)。

华东交通大学毕业设计(论文)答辩记录姓名张海云学号18毕业届别专业软件+机电题目基于单片机防酒后驾驶控制系统设计答辩时间答辩组成员(签字):答辩记录:记录人(签字):年月日答辩小组组长(签字):年月日附注:基于单片机防酒后驾驶控制系统设计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。随着中国公路运输业的发展,同其它国家相比,中国的道路交通安全更为严峻,特别是由酒后驾驶导致的交通事故率比较高。针对酒后驾车导致交通事故频繁发生的现象,设计了一种能够防止酒后驾驶的自动控制系统。该系统由酒精传感器、数据采集及信号放大、ADC0809模数转换器、AT89S52单片机控制器、语音报警、LED显示、继电器以及电机等构成。主要研究了对不同的区间浓度和电压转换关系做线性化处理。将采集到的模拟电压信号经A/D模数转换器转换成数字信号,送入单片机,经过单片机进行判断计算输出控制信号;当司机体内酒精浓度超标时,该系统能够自动切断汽车的启动系统电源,同时发出声光报警,并经过数码管实时显示酒精浓度,实现了自动控制功能。该系统需要驾驶者在汽车点火前先进行吹气测试,如果测试结果超过安全水平,在驾驶员用钥匙发动时,继电器将动作,汽车将不能开启,该装置能够用来防止有酒后驾车的人再次犯错。关键词:酒后驾驶;AT89S52单片机;自动控制系统;气体传感器DesignofantidrunkdrivingcontrolsystembasedonMCUAbstractWiththedevelopmentoftransportindustryandtheincreasingofcars,vehiclebringsnotonlycomfortandconvenienceforhumanity,butalsohighfrequencyoftrafficaccidentsandothersafetyproblems,suchasdrunkdriving,whichseriouslythreatentohumanlifeandproperty.WiththedevelopmentofChina’sroadtransportindustry,comparedwithothercountries,China’sroadsecurityismoreserious,particularlytheincidenceoftrafficaccidentscausedbydrunkdrivingisrelativelysohigh.Aimedattheincreasingaccidentscausedbydrunkdriving,aantidrunkdrivingcontrolsystemisdesigned.Thedesignedsystemisconstructedwithalcoholsensor,dataacquisitionandsignalamplification,ADC0809converter,theAT89S52MCUcontroller,speechwarmingsystem,theLED,relayandthemotor,etc.Theconversionbetweenvoltageandconcentrationindifferentrangeistreatedaslinearrelationship.ConversingthevoltagesignalthroughtheA/Dconversionatthecontrolofthesingle-chip,obtainingthedigitalvoltagesignal;displayingtheconcentrationinthedigitaltubedisplaymodule.Whenthealcoholtestingresultexceedsthesafelimit,powersupplyofthestartingsystemwillbecuttostopthecarfromstartup.Thesystemrequiresmotoriststocarryoutbeforeblowingignitiontest,ifthetestresultsexceedsafelevels,withthekeyinthedriver'slaunch,therelayoperates,thecarwillnotopen,thedevicecanbeusedtopreventdrunkdrivingpeoplemakemistakesagain.KeyWords:drunkdriving;automaticcontrolsystem;AT89S52single-chipMicrocomputer;Gassensor目录11140摘要 I29265Abstract II4第一章绪论 41228401.1课题研究的目的及意义 1280291.1.1课题研究的目的 173611.1.2课题研究的意义 2282621.2国内外研究现状 3123101.2.1国外研究现状 321401.2.2国内研究现状 592111.3研究内容 611894第二章总体方案设计 7222542.1设计思路 797202.2系统方案设计 7253802.2.1酒精传感器的选型 9277052.2.2单片机的选型 1025082.2.3模数转换芯片的选型 11222542.3本章小结 1212109第三章系统硬件设计 1315783.1酒精传感器测试电路的设计 13251313.2信号采集放大电路设计 15155803.3A/D转换电路的设计 164143.3.1模数转换芯片ADC0809的性能特点 1646163.4单片机最小系统 19279483.4.1时钟电路设计 19320743.4.2复位电路设计 20215693.4.3AT89系列微控制器的硬件结构特点 20101753.5数码管显示电路设计 25167113.6报警电路设计 26220543.7继电器驱动电路设计 276014第四章系统软件设计 2829644.1软件整体设计思路 28117954.2主程序模块的设计 28217024.3控制子程序 29222194.4数据采集及处理模块 30195354.5继电器驱动子程序设计及流程图 317992第五章系统软硬件调试 33229265.151系列单片机软件开发及调试工具 33268865.2硬件调试及硬件系统仿真工具 33143715.3A/D转换模块的调试 34264825.4报警模块、继电器控制子程序的调试 3410295.5仿真电路图及仿真结果 35280275.6硬件电路连接及程序下载、系统软硬件合成调试 3730583第六章结论及展望 38149996.1结论 38290426.2展望 388675致谢 4020597参考文献 412107附录A外文翻译(英) 4319688附录B外文翻译(中) 4922420附件C硬件电路原理图 555995附录DPCB印制电路图、实物图 5614980附件E汇编程序清单 57绪论1.1课题研究的目的及意义1.1.1课题研究的目的近年来随着经济迅速发展,人们的生活水平日益提高,私家车也越来越多,各种应酬随之而来,”酒”这东西贴近了我们的生活。而酒后驾车也频频发生,给人们的生活和生命安全带来了巨大的伤害。据德国一家调研机构预测,全球汽车(包括个人用车和商用车)保有量最迟到年将突破10亿量[1]。随着汽车保有量的增加,交通事故也在不断的增加,全世界每年约有120万人死于道路交通事故,受伤者多达5000万人,同时全球道路交通事故每年造成的直接经济损失为5180亿美元,可见道路交通安全问题已成为全球性的主题[2-3]。随着汽车使用量的增加和道路交通事业的发展,也给社会带来了负面影响,其中道路交通事故就是其中之一[4]。当前中国汽车保有量约占世界的2%,但交通事故死亡人数却占15%左右,同发达国家相比(参见表1),中国的道路交通安全形式严峻[5-6]。截至到年,虽然中国加强了预防交通事故的措施,可是交通事故数量还是相当惊人(如表2所示)[7]。国家比例对比汽车保有量事故死亡率中国/世界1.9%17%中国/美国1:1636:1中国/日本1:922:1表1交通安全数据比较表2-期间全国交通事故起数和死亡人数年份交通事故起数(起)死亡人数(人)51789910707745025498738378781894553272098164926556573990据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。酒后驾驶已经被世界卫生组织列为车祸致死的首要原因。在中国,母国勇分析了中国年交通事故原因,明显指出驾驶员是造成交通事故的主要原因(如表3)[8]。牟建霖指出中国机动车驾驶员酒后驾车约占20%,每年因酒后驾车发生交通事故死亡人数超过5000人[9]。赵卫兴,高岩等人分析了1994～年酒后驾驶死亡人数占交通事故总死亡人数的比例,指出该比例从1994年的2%上升到的4.4%,平均每年以7.3%的速度增长,可见酒后驾车的危害触目惊心,已经成为引发交通事故的罪魁祸首[10]。表3年道路交通事故原因分析项目机动车原因机动车驾驶员非机动车驾驶员行人、乘车人道路其它事故(%)4.9483.722.97死亡(%)5.0667.204.316.830.1516.44为了能够有效的防止酒后驾驶造成的此类危害,研究一种酒后驾驶智能闭锁系统是非常必要的,从而能够强制性防止酒后驾车,降低交通事故的发生率。对于酒后驾车这种现象,张玮指出虽然各个国家都对酒后驾车执行了严格的规定[11-13],可是还有很多人不能严格遵守这个规定,酒后驾车事件还是很频繁,因此研究这种能够自动防止酒后驾车的装置更为必要。本研究设计的智能闭锁系统,能够经过高敏度的呼气式酒精传感器,经过检测司机呼出气体的酒精含量当检测到司机呼出气体内酒精含量超标时,能够阻止驾驶员开启汽车引擎,使汽车无法启动,同时语音报警,提醒驾驶员”注意安全,不要酒后驾车”,从而有效减少交通事故的发生,提高中国道路安全水平,更好地保障我们的交通秩序,保护人们的出行安全,构建和谐的交通环境。1.1.2课题研究的意义据来自某国际组织的一项统计数据显示:每33分钟就会有一人死于与饮酒有关的交通事故。尽管有大多数人认为酒后驾车酿成的交通事故永远不可能发生在自己的身上,但专家的统计结果证明:在每个人的一生中卷入与喝酒有关的交通事故的可能性为30%。显而易见,饮酒与开车是多么可怕的致命结合,正是由于酒后开车这个”罪魁祸首”使得一幕幕本不该发生的惨剧接连上演,造成一个个幸福美满的家庭支离破碎。虽然中国现行法律规定对酒后驾车造成重大伤亡事故的肇事者,追究其刑事责任,可是对没有造成重大伤亡事故的酒后驾车者的惩罚比较低,最多也只是拘留15天处罚[9,14]。由于这种轻微的处罚根本不足以引起驾驶员的重视,因此酒后驾车者还是比较多。酒精在人体血液内达到一定浓度时,人对外界的反应能力及控制能力就会下降,特别是处理紧急情况的能力下降。驾驶员血液中酒精含量越高,发生撞车意外的机会越高。根据来自4538位新浪网友的调查显示,有81.29%的被调查者同意酒后驾驶属于违法行为,但在被问及是否有过酒后驾驶行为时,仅有20.63%的被调查者从未有过酒后驾车的行为。在被问及酒后驾驶人员存在何种心理时,有39.84%的被调查者认为酒后驾驶人员过高的相信自己的驾驶技术,27.35%的被调查者认为酒后驾驶人员的安全意识不强。另外,有18.97%的被调查者认为酒后驾驶人员存在侥幸心理。针对这种现象,很有必要研究一种专门协助司机安全驾驶的辅助工具,即防酒后驾驶的智能闭锁装置,能够适时提醒司机安全驾驶,更避免了因盲目自信而导致的交通事故,创造人类的美好生活和社会的和谐。1.2预防酒驾国内外研究现状1.2.1国外研究现状(1)现场检测酒金含量的方法针对司机酒后驾车事故频繁的现象,国外最早开始研发针对酒后驾驶的酒精测试仪。1957年1月23日,世界上第一台醉酒呼吸分析仪在瑞典首次投入使用,它能够当场直接测试。它能检测出司机呼出气体中的酒精含量,并将这一结果显示于仪器的显示屏上。交警据此判断该司机是否酒后驾驶。当前,英国、澳大利亚、比利时、法国、荷兰、新西兰、西班牙、瑞典等欧洲国家,普遍采用的办法是在交通事故现场,交警随身携带呼气式酒精测试仪,对司机呼出气体中的酒精含量进行快速检测,根据检测结果进行事故处理并给予驾驶员一定的惩罚。为了能够协助驾驶员主动测试是否酒后驾驶,国外许多国家先后研究了用于汽车上的不同酒后测试办法。(2)车载检测驾驶员是否饮酒技术英国布里斯托尔大学生理学家霍尔瓦特设计了一种高智能座驾,其上装有一套名为”个人警察”的监察系统,由红外线摄像机、感应器和带有电脑分析功能的”小黑箱”组成。经过”小黑箱”摄像机录制的司机眼球活动情况以及感应器侦察到的方向盘扭转动作集中起来进行分析,从分析方向盘转动情况仪器中获得的信息与从扫描司机瞳孔移动装置获得的信息发生联系并进行比较,经过这一对照完全能够确定司机是否头脑清醒。根据司机审视行车方向长短,判定司机的醉酒程度。意大利主要方法是在车上配备酒精检测MEMS传感器,将MEMS传感器置于方向盘的中间位置,酒精检测MEMS传感器将元件植入在直径8mm的密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内,经过该传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量。瑞典绅宝用附带酒精检测功能的钥匙组件”Alcokey”,在汽车遥控器内部嵌入小型酒精测试器,当司机按下遥控车钥匙的时候,该探测器就会同时开始工作。检测司机饮酒度的方法是:司机必须向测酒钥匙的底部呼气检测呼气酒精含量。最近瑞典豪华品牌沃尔沃汽车公司推出车载酒精检测系统,它经过一个无线手持设备检测驾驶者呼出空气中的酒精含量,从而判断驾驶者血液中的酒精浓度。而日产的反酒后驾驶控制系统命名为Carwings的车载蓝牙综合安全系统,该套系统主要是把酒精测试声纳安置在变档器上,能够经过对眨眼情况探测分析出司机清醒状态的面部识别系统,以及对驾驶情形进行探测分析,系统能够做出感应。日本汽车业巨头丰田将研制一种装在机动车辆上的防酒后驾驶系统。(3)车载防止酒后驾驶技术英国经过车载”个人警察”的监控系统,根据司机审视行车方向的长短,从而来判断司机的醉酒程度,来判断是否发出报警信号或使汽车无法启动。意大利经过置于方向盘内的MEMS酒精传感器检测驾驶员呼出气体酒精浓度,当检测其超过安全驾驶标准时,使汽车无法启动。瑞典绅宝主要方法是利用带有酒精检测功能的钥匙组件”Alcokey”,当司机按下遥控车钥匙时,该探测器就开始工作,司机必须向测酒钥匙底部呼气,当检测到呼气酒精含量超标时,无法向车辆控制组件发出解除警报信号,从而使汽车无法启动。沃尔沃的车载酒精检测系统,是把该检测系统的结果经过无线传感技术传给汽车的电子控制系统单元,当酒精含量超过系统中的设定值的上线,该系统将阻止启动动机。而日产的防酒后驾驶控制系统经过变档器上的探测声纳探测司机手上的汗液中含有酒精,便会自动上锁,并经过车内的声音报警发出”酒后驾车”的声音提示,该系统还能够经过对司机的脸部活动和行车状况探测出司机是否酒后驾车,并会发出报警声,并自动收紧安全带,同时导航系统中显示”不要酒后驾车”信息。1.2.2国内研究现状酒后驾车严重危害交通安全,为检查醉驾,警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪,中国警方当前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾驶员是否饮酒,有醉驾嫌疑的驾驶员还需要接受血检,以确定其体内酒精含量是否超标。如何做到防范于未然?近年来,中国也开始逐步采用科技手段防止酒后驾驶。青岛盛源达电子科技有限公司最新研究开发、投入生产的”汽车酒后控驾防盗器”是国内新型高新技术。具有酒后报警控制驾驶和高级防盗双重功能,该技术已申请国家专利。酒后控驾防盗器是一款汽车专用酒后安全驾驶的检测和预防设备,同时具有高级防盗功能。在车辆上安装酒后控驾防盗器之后,驾驶人员在车辆启动前需要进行吹气检测,当呼出的气体中酒精浓度高于国家交通部门制定的标准时,能及时断开点火电路和发出报警声,并用延时装置使驾驶人员能有机会休息以便醒酒,能有效地防止酒后驾车,该设备不受同车饮酒人员的影响。若从机动车上取下设备,即使有钥匙汽车也无法发动,为汽车增加了一层安全保险,从而实现了防盗功能。本产品采用呼出气体酒精含量测试仪是专用于测试人体呼出气体中酒精含量的仪器。本机敏感元件采用兆度电子先进的纳米半导体热线型酒精传感器,具有极好的灵敏度和出众的重复性;测试程序由人工智能设计的微电脑控制。中国对于这方面的研究还是相对比较少,香港一家公司创造了一种名为i—KEY的车钥匙,能够有效而方便地防止醉酒驾驶。这种钥匙将感应器、远程信息处理等技术整合在车钥匙上,从外观看,它比正常的车钥匙多了一条锁棒。使用时,司机要先按i—KEY上的开始按钮,绿色准备灯亮了之后,对着气孔吹气约两秒钟。当呼出气体的酒精含量低于规定值时,它会立即开锁,把锁棒收起来,车钥匙便能顺利插入钥匙孔,启动引擎。否则,钥匙将亮起红灯,锁棒便不能收起来,汽车将无法启动。当前,国家交通技术领域正在开发研究驾驶行为监控预警技术和装备,研究内容:驾驶状态及车辆运行状态与环境实时检测技术,异常驾驶状态实时识别技术,驾驶意图、行为预测及违规操作判别技术,危险驾驶行为的预警方法与技术,驾驶行为监控预警系统集成技术。研究目的:经过研发异常驾驶状态、违规操作、不良驾驶习惯等检测预警系统与装置,形成驾驶人行为的实时监控技术,为有效减少道路交通事故提供技术支撑,从而开发适用于驾驶行为监控系统原型样机,并将经过实车实验验证。1.3研究内容本课题主要研究一种能自动防止司机酒后驾驶的智能闭锁系统,本研究主要采用中档芯片作为该智能闭锁系统的核心,经过呼气式酒精传感器测试司机呼出气体的酒精含量,而且能够经过液晶显示器显示该酒精含量值,当司机体内血液酒精含量超过安全驾驶标准时,能够报警,并经过继电器切断汽车引擎的电源,使汽车无法启动。本研究主要包括以下几个方面的内容:(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。 第二章总体方案设计2.1设计思路本研究设计的酒后驾驶智能闭锁系统,采用燃料电池型酒精传感器,经过该酒精传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量,判断是否超过安全驾驶标准,而且要求经过硬件系统处理,能够显示该酒精浓度,使驾驶员能够清楚的看到已经饮酒过度,因此需要选择一种显示仪器来显示驾驶员呼出气体酒精浓度值,基于这种要求,本次设计选用LED显示模块。为了能够警示驾驶员不要酒后驾驶,本系统中需要设计一种报警系统,能够在驾驶员欲酒后驾驶时,发出警告提示。该智能闭锁系统的最主要功能是为了当检测到司机呼出气体内酒精浓度超标时,能够自动切断汽车引擎电源,因此需要一种执行机构能够自动的切断汽车引擎电源,本次设计选用继电器来达到这个目的,经过继电器的动作来控制汽车引擎电源是否开启。经过选用本方案中的元件,该智能闭锁系统能够经过快速检测驾驶员呼出气体的酒精浓度是否超标,经过单片机的放大、采集处理检测驾驶员呼出气体酒精含量是否超标,当检测到驾驶员饮酒过度时,能够显示酒精浓度值和报警提示不要酒后驾车,并快速切断汽车引擎电源,停止启动发动机。2.2系统方案设计基于以上的构思,设计了基于单片机的酒后驾驶智能闭锁系统的系统框图,如下图所示:AAT89C52单片机LED显示LED显示酒精传感器A酒精传感器ADC0809放大器放大器警告提示数字量警告提示控制转换电源供电电源供电汽车引擎电源驱动继电器汽车引擎电源驱动继电器图2.1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[15,16]、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,能够经过LED显示传感器的输出电压值,并经过报警模块和驱动继电器动作,切断汽车引擎电源。本系统软件整体设计思路采用模块化设计,软件有主模块、声光报警模块、数据采集模块、显示模块、算法模块、存储模块等组成。数据采集程序主要将接收到的数据送到A/D转换器中处理,进而将数字信号输入到单片机中;然后,一部分送到LED显示,另一部分与设定值进行比较,当其超过标定值时,语音报警器提示驾驶员开车危险,使其提高警惕性,同时控制继电器的动作,使汽车引擎不能启动。其模块框图如下图所示:图2.2系统模块框图2.2.1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,当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)、半导体型、红外线型、气体色谱分析型、比色型[17-20]。下面主要介绍半导体型和燃料电池型酒精传感器。半导体型采用氧化锡半导体作为传感器,这类半导体器件具有气敏特性,当接触的气体中其敏感的气体浓度增加,它对外呈现的电阻值就降低,半导体型呼气式酒精测试仪就是利用这个原理做成的。这种半导体在不同工作温度时,对不同气体敏感程度是不同的,因此对于半导体型呼气酒精测试仪中一般都采用加热元件,把传感器加热到一定的温度,在该温度下,该传感器对酒精具有最高的灵敏度。可是由于半导体型酒精传感器感度低、不能精确计量、稳定性和重复性差、以及功耗大,因此国外很少用其现场,实时检测司机是否酒后驾车。燃料电池型酒精传感器[21]采用贵金属白金作为电极,在燃料室内充满了特种催化剂,它能使进入燃料室内的酒精充分燃烧转变为电能,也就是在两个电极上产生电压,电能消耗在外接负载上,此电压与进入燃料室内的气体的酒精浓度成正比。燃料电池型酒精传感器属于电化学类型,燃料电池是当前世界上广泛研究的环保型能源,它能够直接把可燃气体转变成电能,而不产生污染,作为酒精传感器只是燃料电池的一个分支。燃料电池型酒精传感器的特点:测量精度高,可测范围宽。由于它只对酒精气体反应,因此任何其它非酒精气体测量时给结果带来的干扰都很小。另外,由于它对酒精气体极其敏感,只要把环境温度控制在规定的范围内,即使酒精浓度很低也能在其两极产生微弱的电压输出。由于燃料电池型酒精传感器具有稳定性好、精度高、抗干扰性好的明显优点,可用来检测机动车驾驶人员是否饮酒和其它严禁酒后作业人员的现场检测,也可用在其它场所乙醇蒸汽的检测。但此酒精传感器的结构要求非常精密,制造难度大,当前只有美国、英国、德国等少数几个国家能够生产。当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,可是它的性能远比燃料电池的要差,因此它一般见在要求不高的场合,如自我检测或一般性定性检测。可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-标准[22]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。燃料电池型酒精传感器的消耗电流小,而且通电初期的稳定时间短,其电路部分仅需要电池就能够满足供电需要,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。2.2.2单片机的选型随着信息技术的高速发展,如今越来越多的电子产品向智能化、微型化、低功耗方向发展,越来越多的产品需要实时控制和信号处理,要求电子设计技术需要有新的变革和飞跃,而以往的纯数字电路设计系统工作量大、灵活性差、系统可靠性差。单片机的设计系统克服了纯数字电路系统设计中存在的缺陷,使电子电路设计有了新的飞跃。单片机将微处理器(CPU)、存储器(ROM和RAM等)、输出/输入口(I/O)、定时/计数器、中断系统等集成在一块集成电路芯片上,称之为单片微型计算机,简称单片机(MCU)。单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能,单片机能够经过软件方法来实现。单片机从工业测控对象、环境、接口特点等出发,向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统界面接口的方向发展。其主要特点有品种多样,型号繁多,性能提高,容量扩大,低功耗,软件应用配套,具有系统扩展和配置等。主要应用领域包括:智能化家用电器、办公自动化设备、商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品、汽车电子产品、航空航天系统和高防军事、尖端武器等领域。当前最常见的是AVR、MCS-51[23,25]、PIC系列单片机[22,24]。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。Intel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[26,27]。PIC系列单片机采用Harvard双总线结构,运行速度快,指令流水线结构,程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理。但编程时分页比较麻烦,扩展能力比较弱。AVR是集合了PIC和51的优势的,指令周期比PIC还要快,性价比比PIC要高,FLASH在线编程比PIC方便,学AVR会感到它的结构跟PIC差不多,很多相似的,就是用C语言开发置位麻烦一点,位操作不如PIC和51方便,工业级也用的不广,多用于仪器、通信上。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。2.2.3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。下面简要介绍常见的几种类型的基本原理及特点:积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型。1)积分型(如TLC7135)积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。2)逐次比较型(如ADC0808/ADC0809)逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器经过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低,在低分辩率(<12位)时价格便宜,但高精度(>12位)时价格很高。3)并行比较型/串并行比较型(如TLC5510)并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash(快速)型。由于转换速率极高,n位的转换需要2n-1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,因此称为Halfflash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级(Multistep/Subrangling)型AD,而从转换时序角度又可称为流水线(Pipelined)型AD,现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小。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,一般以数字信号的位数来表示。2)转换速率(ConversionRate)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(SampleRate)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能够接受的。常见单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次(kilo/MillionSamplesperSecond)。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(SAR)经过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经过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。2.3本章小结本章主要是对整个基于单片机防酒后驾驶控制系统设计的整体把握与考虑,包括整体设计思路、系统硬件原理框图设计、系统各模块划分以及系统所用酒精传感器、单片机、A/D转换器的选型。经过本部分的整体设计,对于系统的设计有了一个全局观,梳理清楚了整个设计思路,为硬件电路的设计铺路,同时软件模块的划分对于编码实现功能更是起了很大的作用。本章明确确定使用燃料电池型酒精传感器、AT89S52单片机、ADC0809模数转换器,对关键硬件做了一个初步的了解。因此,本章能够说是起到一个承前启后的作用,为下文对整个控制系统的的详细设计提出了一个蓝本。第三章系统硬件设计硬件是整个系统正常工作的基础,本系统硬件电路主要由酒精传感器测试电路、信号放大电路、A/D转换电路、单片机最小系统、控制电路、显示电路、语音报警电路及光电报警电路组成,各部分设计如下。3.1酒精传感器测试电路的设计MR513型气敏元件经过气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理,由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR513由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂,遇可燃气体时检测元件电阻减小,桥路输出电压变化,该电压变化随气体浓度增大而成比例增大,补偿元件起参比及温度补偿作用。由于这种变化是可逆的,因此能重复使用。当气敏传感器的敏感体电阻阻值发生变化时,对应的电位器的分压值也会发生相应的变化,即一个电压值对应着一个被测酒精气体浓度。对酒精气体浓度的采样就能够转化为电位器分压的采样。图3.1MQ-3气敏元件的结构和外形MR酒精传感器对乙醇蒸气有很高的灵敏度和良好的选择性,具有快速的响应恢复特性,具有长期的寿命和可靠的稳定性,具有简单的驱动回路等特点。在采样硬件电路中实际要考虑到MR的实际参数,应为实验所用的MR在预热5到10分钟后。传感器测试电路如下图:图3.2传感器测试电路3.2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,电路仅需要电池就能够满足其工作。传感器输出为模拟电压信号,首先经过仪表放大器LM339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(A/D)。仪表放大器选用的是LM339,LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器,该电压比较器的特点是:1)失调电压小,典型值为2mV;2)电源电压范围宽,单电源为2-36V,双电源电压为±1V-±18V;3)对比较信号源的内阻限制较宽;4)共模范围很大,为0~(Ucc-1.5V)Vo;5)差动输入电压范围较大,大到能够等于电源电压;6)输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装,图3.3为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活,应用广泛,因此世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器,如IR2339、ANI339、SF339等,它们的参数基本一致,可互换使用。图3.3LM339外型及管脚排列图LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端,用”+”表示,另一个称为反相输入端,用”-”表示。用作比较两个电压时,任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平,它可选择LM339输入共模范围的任何一点),另一端加一个待比较的信号电压。当”+”端电压高于”-”端时,输出管截止,相当于输出端开路。当”-”端电压高于”+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此,把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管,在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻(称为上拉电阻,选3-15K)。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时,它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。本设计中采用电位器模拟经酒精传感器转换的电压信号再经过放大器的输入信号。3.3A/D转换电路的设计3.3.1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,能够和单片机直接接口。

(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,才能够从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.4ADC0809的内部逻辑结构该八位转换芯片,是把基准电压量化成256等份,然后经过逐次逼近法,对外部的模拟信号进行取样比较,确定其所在的等级,即所对应的8位二进制数的大小。由此可知,8位转换芯片的精确度为基准电压除以256的值,如接5V基准电压时,精确度约为0.020V。(2)ADC0809引脚结构ADC0809各脚功能如下:

D7-D0:8位数字量输出引脚。

IN0-IN7:8位模拟量输入引脚。

VCC:+5V工作电压。

GND:地。

REF(+):参考电压正端。

REF(-):参考电压负端。

START:A/D转换启动信号输入端。

ALE:地址锁存允许信号输入端。

(以上两种信号用于启动A/D转换).图3.5ADC0809引脚结构

EOC:转换结束信号输出引脚,开始转换时为低电平,当转换结束时为高电平。

OE:输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。

CLK:时钟信号输入端(一般为500KHz)。

A、B、C:地址输入线。

ADC0809对输入模拟量要求:信号单极性,电压范围是0－5V,若信号太小,必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线:4条数字量输出及控制线:11条ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A,B和C为地址输入线,用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表4通道选择表ST为转换启动信号。当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行A/D转换;在转换期间,ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1,输出转换得到的数据;OE＝0,输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,一般使用频率为500KHZ,VREF(＋),VREF(－)为参考电压输入。ADC0809应用说明:(1)．ADC0809内部带有输出锁存器,能够与AT89S51单片机直接相连。(2)．初始化时,使ST和OE信号全为低电平。(3)．送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。(4)．在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。(5)．是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。(6)．当EOC变为高电平时,这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。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640KHz,一次数据转换时间大约为100μs。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。A/D转换电路设计如下图:图3.6ADC0809转换电路3.4单片机最小系统单片机最小系统它含有256字节数据存储器,内置8KB的电可擦除FLASHROM,可重复编程,主要由单片机、时钟电路、复位电路组成。3.4.1时钟电路设计对于时钟电路:AT89C52单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚19对应的XTAL1和18对应的XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自己振荡器。如下图3-3所示,石英晶体及电容C1和C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。石英晶体的两端分别接到引脚XTAL1和引脚XTAL2,同时石英晶体的两端分别接一个电容C1和C2,电容的另一端接地。对于外接电容C1和C2的大小虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小还是会对振动频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性带来一定的影响。根据技术资料的推荐,使用石英晶体推荐电容容量为30pF±10pF,使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pF±10pF。因为电路中接的是石英晶体,因此设计中接的两个电容C1和C2的容量都为33pF。图3.7时钟电路3.4.2复位电路设计对于复位电路部分,AT89C52技术资料给出,当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。复位是单片机的初始化操作,当由于程序运行出错或是操作错误使系统处于死锁状态时,为了摆脱困境,能够按复位键以重新启动,因此复位电路的设计很有必要,复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式,本设计选用按键电平复位方式。如下图所示,100uF的电容C3与100欧姆的电阻并联后再与一个10千欧姆的电阻串联,电容的正极端接到电源的正极,电容的另一端接到引脚RST。设计中选用的石英晶体大小为11.0952MHz,但复位键按下后,电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端RST提供大于2个机器周期的高电平复位信号。图3.8复位电路3.4.3AT89系列微控制器的硬件结构特点AT89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器因此,在应用中有着十分广泛的前途,特别是在便携式省电及特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用AT89系列单片机是以8051核构成的,因此,它和8051系列单片机是兼容的系列这个系列对于以8051为基础的系统来说,是十分容易进行取代和组成的故而对于熟悉8051的用户来说,用ATMEL公司的89系列单片机进行取代8051的系统设计是轻而易举的事。89系列单片机的优点:(1)内