车载酒精探测控制仪设计(图)

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作者：中国石油大学（华东） 崔海朋 　日期：2009-3-13
        酒后驾车容易发生交通事故，为了减少或杜绝这种现象，通常是采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定驾驶人员是否饮酒。目前，市场上警用酒精测试仪种类繁多、功能强大、灵敏度高，但是由于它没有安装在汽车内部，只能由交警人员来实施，因此并不能从根本上杜绝酒后驾车，酒后驾车事件仍时有发生。


       本文提出了一种基于MSP430单片机的超低功耗酒精探测控制仪，该仪器安装在汽车内，当驾驶人员进入驾驶室后，可以自动对酒精浓度进行探测，以确保行车的安全。系统可以根据检测到的酒精含量是否超标控制汽车点火器打开或者关闭，如果超标，则驾驶人员无法启动汽车，因此从根本上杜绝了酒后驾车的出现。该系统具有性价比高，智能化程度高，工作稳定可靠的优点。

系统工作原理
       系统采用超高灵敏度酒精传感器，超低功耗单片机系统，自动探测酒精浓度的方法，可以防止驾驶人员逃避检测，以判断驾驶员是否是酒后开车，系统总体设计如图1所示。该系统可放置在汽车仪表盘位置，当司机发动汽车时，探测控制仪启动，此时发动机处于被锁状态，汽车无法启动。酒精传感器加热后，探测控制仪对酒精传感器探测的气体信号进行检测。由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。检测到的信号经过放大和滤波之后，通过单片机内置的12位ADC转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，LCD显示屏幕显示当前酒精浓度，同时正常指示灯亮起，控制继电器不起作用，汽车随之启动；反之，则进行声光报警，控制继电器切断点火装置电源，驾驶人员无法启动汽车，从根本上实现控制酒后驾车。汽车启动后，控制仪随即进入低功耗状态，只有酒精浓度探测电路一直工作，一旦驾驶人员驾驶过程中饮酒，控制仪立即恢复到正常工作状态。



图1 系统总体结构

系统硬件设计
1 主控电路设计
       本控制仪采用了美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能MSP430单片机系列中的MSP430FG4619。它在活动模式时仅350μA，口线输入漏电流最大50nA；它的高度集成不但大大降低了故障率，而且在成本、体积、稳定性方面都有明显优势。


      酒精探测控制仪系统中MSP430FG4619用来判断气体中的酒精含量，控制整个控制仪的工作。系统主控电路如图2所示，包含晶振电路、复位电路和JTAG接口电路等。


2 酒精检测电路
       酒精检测电路由高精度酒精传感器、信号调理放大电路、滤波电路和单片机内置12位ADC等组成，如图3所示。主要功能是检测酒精含量，判断其是否超标。



图2 系统主控电路示意图


       酒精传感器采用旁热型半导体式酒精气敏元件MQ3，它对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性，快速的响应恢复，长期的寿命和可靠的稳定性，探测范围为10～1000ppm，尤其适用于酒后驾驶人员的检测。
信号调理放大电路前级采用美信公司生产的高精密运放MAX4238来实现，它具有1pA的偏置电流，2μV的偏置电压，超低温漂，良好的性能。后级放大采用常用的OP07C运算放大来实现，滤波芯片采用美信公司生产的开关电容型引脚可编程集成滤波器MAX266来实现，具有比普通RC滤波电路更优异的性能。


       A/D转换采用MSP430FG4619IPZ自带的12位、最大速率为200KSPS的ADC，它的电压基准可以选择为内部基准或者外部基准，节省了外部ADC芯片，大大简化了硬件的设计，同时可以满足精度的要求，因此非常适合于本系统的设计。



图3 酒精检测电路图


3 指示灯和液晶显示电路
       指示灯电路有红绿黄三个指示灯，红灯是电源指示灯，工作时亮；绿灯是检测提示灯，因为酒精探头需要一定时间加热，才能达到理想的灵敏度，加热时间到，绿灯亮，表示可以进行浓度探测；黄灯为报警指示灯,黄灯不亮，表示可以行车；当黄灯亮时，表示酒精浓度超标，不可以驾驶，同时黄灯闪烁的频率越高，酒精浓度越高。


       液晶显示电路用来显示测定得到的酒精的浓度。液晶显示电路采用LCM128645ZK，这是一款低功耗的点阵图形式LCD，可以工作在3.3V供电的情况下，显示格式为128（列）×64（行），具有多功能指令，内部带有中文字库，既可以工作于串行方式又可以工作于并行方式，很容易与16位的单片机相连。本系统中与单片机的连接采用并行工作模式，如图4所示。



图4 键盘显示和指示灯电路图


4 继电器控制电路
      本电路受单片机P2.4控制，相当于开关，控制点火装置的打开和关闭、车灯的亮灭和喇叭的响与不响。是系统中非常重要的执行单元。电路简单，由于篇幅原因，这里不给出。


5 报警和键盘电路
       利用蜂鸣器作为报警器，当酒精含量超标时，发出禁止行车警告音；不超标时，发出允许行车提示音。由P1.7驱动蜂鸣器来实现。


       因为单片机有足够多的I/O引脚，因此系统的键盘电路采用独立式键盘，如图4所示。采用中断的方式工作，可以设定酒精探测控制仪的系统参数，比如设定的报警的酒精浓度等。


6 其他电路
       JTAG接口电路用于调试程序，以及系统软件的升级。电源转换电路用于将车上的供电系统转换为单片机以及系统所用的到的芯片所需的电压。监控复位电路用于保证单片机处于良好的运行状态，防止受到干扰导致程序跑飞，比内部看门狗电路更可靠。


       通过以上设计，系统前端就可以把酒精传感器检测到的酒精含量信号经单片机判断后产生相应的控制信号以控制汽车点火电路，从而实现对酒后驾车的有效控制。



图5 控制仪主程序流程图

软件设计
        软件部分根据系统功能进行模块化编程。控制仪主程序流程图如图5所示，实现酒精含量检测、酒精含量是否超标判别、酒精含量显示、声光报警等功能。系统初始化后，对酒精传感器进行加热，自动进入测量状态，然后采集酒精含量电压信号，与设定的精度浓度进行比较，如果高于这个浓度，则显示该浓度，并进行声光报警，同时切断点火电路，驾驶人员不能发动汽车；如果低于这个浓度，则显示所测的浓度，同时启动发动机。

结语
       车载酒精探测仪是为预防交通事故发生情况而设计的。本文通过对各个电路功能及软件工作流程的阐述，对整个设计进行了介绍。由于本系统安装在汽车上，自动测量、智能化程度高、功耗低，对预防酒后驾车具有很好的效果，在实际应用中具有很好的推广价值。