車載酒精探測控制儀設(shè)計(jì)(圖)

作者：中國石油大學(xué)（華東） 崔海朋 　日期：2009-3-13

酒后駕車容易發(fā)生交通事故，為了減少或杜絕這種現(xiàn)象，通常是采用呼氣酒精測試儀對駕駛?cè)藛T進(jìn)行現(xiàn)場檢測，以確定駕駛?cè)藛T是否飲酒。目前，市場上警用酒精測試儀種類繁多、功能強(qiáng)大、靈敏度高，但是由于它沒有安裝在汽車內(nèi)部，只能由交警人員來實(shí)施，因此并不能從根本上杜絕酒后駕車，酒后駕車事件仍時有發(fā)生。


本文提出了一種基于MSP430單片機(jī)的超低功耗酒精探測控制儀，該儀器安裝在汽車內(nèi)，當(dāng)駕駛?cè)藛T進(jìn)入駕駛室后，可以自動對酒精濃度進(jìn)行探測，以確保行車的安全。系統(tǒng)可以根據(jù)檢測到的酒精含量是否超標(biāo)控制汽車點(diǎn)火器打開或者關(guān)閉，如果超標(biāo)，則駕駛?cè)藛T無法啟動汽車，因此從根本上杜絕了酒后駕車的出現(xiàn)。該系統(tǒng)具有性價(jià)比高，智能化程度高，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)采用超高靈敏度酒精傳感器，超低功耗單片機(jī)系統(tǒng)，自動探測酒精濃度的方法，可以防止駕駛?cè)藛T逃避檢測，以判斷駕駛員是否是酒后開車，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)可放置在汽車儀表盤位置，當(dāng)司機(jī)發(fā)動汽車時，探測控制儀啟動，此時發(fā)動機(jī)處于被鎖狀態(tài)，汽車無法啟動。酒精傳感器加熱后，探測控制儀對酒精傳感器探測的氣體信號進(jìn)行檢測。由于酒精含量與酒精傳感器檢測后產(chǎn)生的電壓信號成特定的比例關(guān)系，因而可根據(jù)電壓信號進(jìn)行酒精含量的判斷。檢測到的信號經(jīng)過放大和濾波之后，通過單片機(jī)內(nèi)置的12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機(jī)對此信號進(jìn)行處理判斷，假設(shè)酒精含量沒有超標(biāo)，LCD顯示屏幕顯示當(dāng)前酒精濃度，同時正常指示燈亮起，控制繼電器不起作用，汽車隨之啟動；反之，則進(jìn)行聲光報(bào)警，控制繼電器切斷點(diǎn)火裝置電源，駕駛?cè)藛T無法啟動汽車，從根本上實(shí)現(xiàn)控制酒后駕車。汽車啟動后，控制儀隨即進(jìn)入低功耗狀態(tài)，只有酒精濃度探測電路一直工作，一旦駕駛?cè)藛T駕駛過程中飲酒，控制儀立即恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。



圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1 主控電路設(shè)計(jì)
本控制儀采用了美國德州儀器公司推出的16位超低功耗、高性能MSP430單片機(jī)系列中的MSP430FG4619。它在活動模式時僅350μA，口線輸入漏電流最大50nA；它的高度集成不但大大降低了故障率，而且在成本、體積、穩(wěn)定性方面都有明顯優(yōu)勢。


酒精探測控制儀系統(tǒng)中MSP430FG4619用來判斷氣體中的酒精含量，控制整個控制儀的工作。系統(tǒng)主控電路如圖2所示，包含晶振電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路等。


2 酒精檢測電路
酒精檢測電路由高精度酒精傳感器、信號調(diào)理放大電路、濾波電路和單片機(jī)內(nèi)置12位ADC等組成，如圖3所示。主要功能是檢測酒精含量，判斷其是否超標(biāo)。



圖2 系統(tǒng)主控電路示意圖


酒精傳感器采用旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件MQ3，它對乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性，快速的響應(yīng)恢復(fù)，長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性，探測范圍為10～1000ppm，尤其適用于酒后駕駛?cè)藛T的檢測。
信號調(diào)理放大電路前級采用美信公司生產(chǎn)的高精密運(yùn)放MAX4238來實(shí)現(xiàn)，它具有1pA的偏置電流，2μV的偏置電壓，超低溫漂，良好的性能。后級放大采用常用的OP07C運(yùn)算放大來實(shí)現(xiàn)，濾波芯片采用美信公司生產(chǎn)的開關(guān)電容型引腳可編程集成濾波器MAX266來實(shí)現(xiàn)，具有比普通RC濾波電路更優(yōu)異的性能。


A/D轉(zhuǎn)換采用MSP430FG4619IPZ自帶的12位、最大速率為200KSPS的ADC，它的電壓基準(zhǔn)可以選擇為內(nèi)部基準(zhǔn)或者外部基準(zhǔn)，節(jié)省了外部ADC芯片，大大簡化了硬件的設(shè)計(jì)，同時可以滿足精度的要求，因此非常適合于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。



圖3 酒精檢測電路圖


3 指示燈和液晶顯示電路
指示燈電路有紅綠黃三個指示燈，紅燈是電源指示燈，工作時亮；綠燈是檢測提示燈，因?yàn)榫凭筋^需要一定時間加熱，才能達(dá)到理想的靈敏度，加熱時間到，綠燈亮，表示可以進(jìn)行濃度探測；黃燈為報(bào)警指示燈,黃燈不亮，表示可以行車；當(dāng)黃燈亮?xí)r，表示酒精濃度超標(biāo)，不可以駕駛，同時黃燈閃爍的頻率越高，酒精濃度越高。


液晶顯示電路用來顯示測定得到的酒精的濃度。液晶顯示電路采用LCM128645ZK，這是一款低功耗的點(diǎn)陣圖形式LCD，可以工作在3.3V供電的情況下，顯示格式為128（列）×64（行），具有多功能指令，內(nèi)部帶有中文字庫，既可以工作于串行方式又可以工作于并行方式，很容易與16位的單片機(jī)相連。本系統(tǒng)中與單片機(jī)的連接采用并行工作模式，如圖4所示。



圖4 鍵盤顯示和指示燈電路圖


4 繼電器控制電路
本電路受單片機(jī)P2.4控制，相當(dāng)于開關(guān)，控制點(diǎn)火裝置的打開和關(guān)閉、車燈的亮滅和喇叭的響與不響。是系統(tǒng)中非常重要的執(zhí)行單元。電路簡單，由于篇幅原因，這里不給出。


5 報(bào)警和鍵盤電路
利用蜂鳴器作為報(bào)警器，當(dāng)酒精含量超標(biāo)時，發(fā)出禁止行車警告音；不超標(biāo)時，發(fā)出允許行車提示音。由P1.7驅(qū)動蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。


因?yàn)閱纹瑱C(jī)有足夠多的I/O引腳，因此系統(tǒng)的鍵盤電路采用獨(dú)立式鍵盤，如圖4所示。采用中斷的方式工作，可以設(shè)定酒精探測控制儀的系統(tǒng)參數(shù)，比如設(shè)定的報(bào)警的酒精濃度等。


6 其他電路
JTAG接口電路用于調(diào)試程序，以及系統(tǒng)軟件的升級。電源轉(zhuǎn)換電路用于將車上的供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)以及系統(tǒng)所用的到的芯片所需的電壓。監(jiān)控復(fù)位電路用于保證單片機(jī)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，防止受到干擾導(dǎo)致程序跑飛，比內(nèi)部看門狗電路更可靠。


通過以上設(shè)計(jì)，系統(tǒng)前端就可以把酒精傳感器檢測到的酒精含量信號經(jīng)單片機(jī)判斷后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號以控制汽車點(diǎn)火電路，從而實(shí)現(xiàn)對酒后駕車的有效控制。



圖5 控制儀主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)
軟件部分根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊化編程?？刂苾x主程序流程圖如圖5所示，實(shí)現(xiàn)酒精含量檢測、酒精含量是否超標(biāo)判別、酒精含量顯示、聲光報(bào)警等功能。系統(tǒng)初始化后，對酒精傳感器進(jìn)行加熱，自動進(jìn)入測量狀態(tài)，然后采集酒精含量電壓信號，與設(shè)定的精度濃度進(jìn)行比較，如果高于這個濃度，則顯示該濃度，并進(jìn)行聲光報(bào)警，同時切斷點(diǎn)火電路，駕駛?cè)藛T不能發(fā)動汽車；如果低于這個濃度，則顯示所測的濃度，同時啟動發(fā)動機(jī)。

結(jié)語
車載酒精探測儀是為預(yù)防交通事故發(fā)生情況而設(shè)計(jì)的。本文通過對各個電路功能及軟件工作流程的闡述，對整個設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。由于本系統(tǒng)安裝在汽車上，自動測量、智能化程度高、功耗低，對預(yù)防酒后駕車具有很好的效果，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的推廣價(jià)值。