基于单片机的酒精含量探测器设计

引言

　  目前几乎所有国家都采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测，以确定被测量驾驶员是否饮酒。本文提出了一种酒精探测及安全控制系统，该系统安装在汽车上，不用交警和其他人员就能判断司机是否酒后驾车，以确保了司机的安全，又减少了交警等人员的工作量。同时根据检测到酒精含量是否超标进行自主判断，能够控制汽车点火器开关，使饮酒驾驶员无法启动汽车。

　　1 总体方案设计

　　系统采用驾驶员主动呼气方法，以判断驾驶员是否是酒后开车，总体方案设计如图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，报警装置将会响起，提醒驾驶员使用酒精探测及安全控制系统，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，系统指示模块绿灯亮起，提示驾驶员呼气。为防止驾驶员逃避检测，设置一个话筒作为呼气判断装置。当呼气确认后，单片机发送触发信号，开始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比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。检测信号经过放大、检波电路，进行信号放大和滤波之后，通过A/ D 转换电路转换为数字信号，由单片机对此信号进行处理判断，假设酒精含量没有超标，指示灯亮起，控制继电器不起作用，汽车可以启动；反之，超标指示灯亮起，报警装置同时响起，说明不能行驶，若司机强行启动，控制继电器切断点火装置电源，使汽车无法行驶，从而实现控制酒后驾车的功能。
 

　　2 硬件设计

　　硬件设计采用发射部分和接收部分独立结构，使得检测和控制系统分离。

　　2.1 发射部分

      发射部分采取电池供电，以89C2051 单片机作为控制核心，配以QM- J3 气敏酒精传感器、呼气话筒、8 位A/ D 转换器AD0809 以及发射模块F04E 组成。主要功能是检测酒精含量，判断其是否超标，向接收部分发送信号。原理框图如图2 所示，该部分由以下模块组成：

　　2.1.1 酒精含量检测模块

　　该模块包含酒精传感器、检波、放大电路以及A/ D 转换电路。酒精探头选用QM- J3 气敏传感器，该元件是以复合金属氧化物为主体材料的N 型半导体。呼气时，一旦该元件接触乙醇蒸汽，其电导率随气体浓度增加而迅速升高，使得产生的电压信号也随之增大。将电压信号经检波、放大电路以及A/ D 转换电路转换为数字量后，送到单片机进行阀值判断，检测驾驶员呼出气体中酒精含量是否超标。

　　2.1.2 呼气判断模块

　　为防止驾驶员不呼气而导致酒精探传感器无法正确检测到驾驶员体内真实的酒精含量而做出错误判断，设置该模块用以判断驾驶员是否呼气。使用话筒呼气时，话筒必产生一个脉冲信号，单片机判断驾驶员呼气，再检测酒精探头送来的信号。

　　2.1.3 指示模块

　　该模块有红绿黄三个指示灯。红灯是电源指示灯，工作时亮；绿灯是呼气提示灯，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，表示可以呼气；黄灯表示呼气有效，当黄灯不亮，表示呼气不充分，直到黄灯亮，单片机才开始检测酒精探头送来的信号。

　　2.1.4 单片机

　　选用51 系列的89C2051 单片机作为处理器，用来检测呼气判断信号并判断气体中的酒精含量，并生成相应的信息码发送给发射设备。

　　2.1.5 发射模块

　　采用成熟的F04E 发射模块，该模块可以与单片机直连，将处理器给出的信息码调制后无线发送给接收部分。

　　2.2 接收部分

　　接收部分安装于汽车上，主要是对收到的信号码进行判断，做出相应操作。收到错误码，返回继续检测；收到超标码，报警音提示，点火装置断开，汽车大灯亮，喇叭响；收到不超标码，发出可行驶提示音，点火装置打开。结构框图如图3 所示，可分为如下几个模块：

2.2.1 接收设备模块

　　采用J04H 接收模块，J04H无信号时输出为零电平状态（无噪声干扰） 可适合于单片机输入端接口，J04H 采用条状镀金电感及优化电路，无需外接天线，接受灵敏度高采用一定的硬度的镀金电感调整接受频点比采用微调电容调频率的接收电路性能稳定，J04H 具有较高的接收带宽，与F04E 配套且基本免调试，只要电源馈电及引线没有太大的分布参数即可处于正常地接受状态。接收模块接收发射模块的信号，调制后把码送到单片机。

　　2.2.2 单片机

　　收到接收设备送来的码，根据不同码进行不同操作。其控制工作指示灯、继电器、语音报警模块。

　　2.2.3 继电器控制模块

　　受单片机控制，相当于开关，控制点火装置开闭、车灯的亮灭和喇叭的响与不响。

　　2.2.4 报警语音模块

　　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。

　　通过如上设计，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码由发送模块无线发送出去。后端的接收部分可以将发射部分传送的控制码进行解码，并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。

　　3 软件设计

　　软件部分根据系统功能设置，也被划分为发射与接收两个部分，由于篇幅所限，本文以流程图的方式给出其主要功能。

　　发射部分主程序流程图如图4 所示，实现吹气识别，酒精含量是否超标判别，生成信息码及把信息码发送给接收部分的功能。其中每台设备都有唯一的40 位二进制码编号，将编号由低位开始每五位放入信号码的高五位，后三位根据检测结果产生。这样产生一组八个八位带校验位的信息码。由于每台设备的编号都不同，因此这台的发射器用在其他任何一台接收器上都不能让汽车发动，从而起到电子钥匙作用。

　　如图5 为接收部分的主程序流图。其功能为实现接收信息，其中信息码的接收是采用一次接收8个信息码，接收完毕后判断8 个信息码的校验位是否正确。如果正确，则根据最后一个信息码与超标码比较判断是否超标。否则，返回重新接收。当校验位正确且与超标码相同时，执行超标操作，即报警装置响起且控制继电器切断点火装置电源；反之，与不超标码进行比较判断，若相同，则执行不超标控制，汽车可以启动，若不相同，则返回重新接收信息。

　　4 结语

　　车载酒精探测及安全控制系统是为预防交通事故发生情况而设计的。本文通过对各模块功能及软件工作流程的阐述，对整个设计进行了介绍。可随身携带，不需任何复杂操作，在实际应用中具有很好的推广价值。