基于安芯一號的智能保駕系統(tǒng) - 全文

　　一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述

　　2008年世界衛(wèi)生組織的事故調(diào)查顯示，大約50%—60%的交通事故與酒后駕駛有關(guān)，酒后駕駛已經(jīng)被列為車禍致死的主要原因。在中國，每年由于酒后駕車引發(fā)的交通事故達(dá)數(shù)萬起；而造成死亡的事故中50%以上都與酒后駕車有關(guān)，酒后駕車的危害觸目驚心，已經(jīng)成為交通事故的第一大“殺手”。2010年8月，十一屆全國人大常委會(huì)第十六次會(huì)議將首次審議刑法修正案（八）草案，醉酒駕駛或被判刑。在逢年過節(jié)醉酒駕駛更是頻頻發(fā)生，所引起的事故不僅給肇事者帶來了身體和經(jīng)濟(jì)上的損失而且給家人帶來了無限的悲痛。由于上述原因，我設(shè)計(jì)出一套汽車保駕系統(tǒng)裝置，不僅可以給駕駛員檢測是否醉酒并報(bào)警提醒駕駛員，而且可以把這一數(shù)據(jù)發(fā)送給駕駛員的親人，讓親人阻止駕駛員行駛。由于考慮到我國駕駛員平均年齡在35歲以上，所有該系統(tǒng)界面盡量做到簡單、直接，便于駕駛員快速熟練的使用。

　　二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

　　1、 原理概述

　　系統(tǒng)采用超高靈敏度酒精傳感器用旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件MQ3，超低功耗I安芯一號單片機(jī)系統(tǒng)，自動(dòng)探測酒精濃度的方法，以判斷駕駛員是否是酒后開車。主機(jī)電路包括8個(gè)模塊，分別是酒精傳感電路模塊、溫度傳感模塊、GSM通信定位模塊、鍵盤控制模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、語音呼叫模塊、繼電器控制模塊。該系統(tǒng)放置在汽車儀表盤位置，當(dāng)司機(jī)打開車門時(shí)，酒精探測控制儀啟動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于被鎖狀態(tài)，汽車無法啟動(dòng)。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8路高速10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(shí)綠色指示燈（正常）亮起，控制繼電器不起作用，汽車隨之啟動(dòng);反之紅色指示燈（不正常）亮起并進(jìn)行聲光報(bào)警，控制繼電器切斷點(diǎn)火裝置電源，同時(shí)安全帶收緊，系統(tǒng)啟動(dòng)呼叫緊急聯(lián)系人裝置，通過GSM通信定位模塊測定當(dāng)前位置并發(fā)送“酒精濃度過高，請勸阻駕駛員行駛！”短信告訴給駕駛員的親人，此時(shí)駕駛?cè)藛T無法啟動(dòng)汽車，從根本上實(shí)現(xiàn)控制酒后駕車。汽車啟動(dòng)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)設(shè)計(jì)原理框圖

圖1

　　2、 硬件設(shè)計(jì)原理

　　完整的系統(tǒng)有下面8個(gè)模塊夠成，其整體效果，如圖2所示。

　　圖2系統(tǒng)效果圖

　?。?）主控電路

　　安芯一號是一種高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，比普通的8051速度快8—12倍，內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，而且內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，8級可選復(fù)位門檻電壓，還集成了晶振電路，為開發(fā)板節(jié)省了空間。所以主控電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，只是串聯(lián)了兩個(gè)電容，還加上了兩排排針方便接入外部電路。

　?。?）酒精檢測電路（酒精傳感器信號采樣及處理）酒精傳感器電路：

　　根據(jù) GB19522-2010《車輛駕駛?cè)藛T血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗(yàn)》，交警判定酒后駕駛的標(biāo)準(zhǔn)見表1.

　　表1 車輛駕駛?cè)藛T血液酒精含量臨界值

　　測量血液中的酒精含量需要到醫(yī)院進(jìn)行，由于人體呼出氣體中的酒精含量與人體血液中的酒精濃度是有一定的對應(yīng)關(guān)系，所以呼氣酒精測試儀的測量結(jié)果也可作為酒后駕駛的判斷依據(jù)，且更便于執(zhí)法人員現(xiàn)場操作和快速作出判斷。因此一般先檢測車輛駕駛?cè)藛T的吹氣中酒精含量，再換算出其血液中酒精含量，其換算公式為

　　BAC（mg/L）=2200×BrAC（mg/L），或BAC（mg/100mL）=220×BrAc（mg/L）

　　該系統(tǒng)采用旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件MQ3，探測范圍為10～1000ppm。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10位高速ADC等組成，主要功能是檢測酒精含量，判斷其是否超標(biāo)。采用安芯一號單片機(jī)內(nèi)部8路10位高速AD，將采樣了32次的電壓值求平均值，然后將平均的電壓值帶入到下面表2中的對應(yīng)式子，求出酒精的濃度，并將計(jì)算出來的結(jié)果顯示到LCD12864液晶上，如圖4。

　　表2酒精傳感器電壓值與酒精濃度對應(yīng)關(guān)系

　　圖3 酒精模塊圖

　　圖4酒精濃度顯示

　?。?）溫度測試電路：

　　采用DS18B20，可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域，如圖5。

　　圖5溫度傳感器

　?。?）濃度閾值保存電路：

　　采用AT24C02，是一個(gè)2K位串行CMOS E2PROM內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個(gè)16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。

　　（5）指示燈電路

　　指示燈電路有紅綠黃三個(gè)指示燈，紅燈是電源指示燈，工作時(shí)亮;綠燈是檢測提示燈，因?yàn)榫凭筋^需要一定時(shí)間加熱，才能達(dá)到理想的靈敏度，加熱時(shí)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。

　?。?）液晶顯示電路

　　此系統(tǒng)選用的是LCD12864.這是一款低功耗的點(diǎn)陣圖形式LCD，可以工作在3.3 V供電的情況下，用來顯示溫度、酒精閾值還有幾個(gè)簡單的按鍵操作。

　　（7）GSM系統(tǒng)設(shè)置電路

　　本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)終端采用了GSM系統(tǒng)模塊如圖6所示作為開發(fā)平臺(tái)，當(dāng)酒精檢測系統(tǒng)發(fā)出醉酒超標(biāo)信號時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)送查詢當(dāng)?shù)氐刂分噶罱oGSM模塊，模塊將返回當(dāng)前汽車的具體位置的經(jīng)緯度，單片機(jī)收到此信號后，將把此信息以短信的形式發(fā)送給駕駛員親人的手機(jī)，而且還會(huì)發(fā)送一條“酒精濃度過高，請勸阻駕駛員行駛！”的短信給親人。而且當(dāng)如果車主發(fā)現(xiàn)自己的汽車遺失時(shí)，車主只需發(fā)送一個(gè)“ZXQCWZ”的短信給GSM模塊，該模塊也將會(huì)把車子的當(dāng)前位置發(fā)給車主。當(dāng)車主或車主的親人收到GSM模塊發(fā)送的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，車主或親人就可以在網(wǎng)上搜索“手機(jī)基站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)經(jīng)緯度”的網(wǎng)站就可以將GSM模塊返回的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)為詳細(xì)的清楚的地圖數(shù)據(jù)。

　　圖6GSM模塊

　　（8）繼電器控制電路

　　控制繼電器主要用來控制汽車電動(dòng)機(jī)的的啟動(dòng)，當(dāng)酒精傳感器檢測到的酒精濃度沒有超標(biāo)時(shí)，繼電器不啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)正常工作，當(dāng)酒精傳感器檢測到的酒精濃度已超標(biāo)，繼電器啟動(dòng)，斷開電動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)，那么汽車就不能運(yùn)行。從根本上阻止了酒后駕車的危險(xiǎn)。

　?。?）語音呼叫系統(tǒng)控制電路

　　采用APR9600語音錄放芯片，它是繼美國ISD公司以后采用模擬存儲(chǔ)技術(shù)的又一款音質(zhì)好、噪音低、不怕斷電、可反復(fù)錄放的新型語音電路，單片電路可錄放32-60秒，串行控制時(shí)可分256段以上，并行控制時(shí)最大可分8段。與ISD同類芯片相比它具有：價(jià)格便宜，有多種手動(dòng)控制方式，分段管理方便、多段控制時(shí)電路簡單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào)、每個(gè)單鍵均有開始停止循環(huán)多種功能等特點(diǎn)。

　　（10）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(shí)，發(fā)出禁止行車警告音，不超標(biāo)時(shí)發(fā)出允許行車提示音。由單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。鍵盤模塊可以在一些緊急的時(shí)候，進(jìn)行撥號報(bào)警，掛機(jī)，設(shè)置等操作，增加系統(tǒng)人性化的操作。如圖7

　　圖7鍵盤模塊

　　3、 軟件設(shè)計(jì)原理

　　對于單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用中，逐漸引入了高級語言，C語言就是其中的一種。匯編語言的可控性較高級語言來說更具優(yōu)越性。程序編寫語言比較常見的有C語言、匯編語言。匯編語言的機(jī)器代碼生成效率高，控制性好，但就是移植性不高。

　　C語言編寫的程序比用匯編編寫的程序更符合人們的思考習(xí)慣。還有很多處理器都支持C編譯器，這樣意味著處理器也能很快上手。且具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植。基于C語言和匯編語言的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用C語言編寫方法。

　　軟件編寫的主體思路是將系統(tǒng)按功能模塊化劃分，然后根據(jù)模塊要實(shí)現(xiàn)的功能寫各個(gè)子程序。整個(gè)軟件程序的編寫采用查詢式方式編寫的。

　　在系統(tǒng)的初始化程序中，整個(gè)系統(tǒng)的初始化編程中按照如下圖8所示編寫，當(dāng)把酒精傳感器接觸到酒精氣體時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)觸發(fā)通信報(bào)警裝置，程序編寫如圖9所示。

　　圖8系統(tǒng)初始化的主程序流程圖

　　圖9酒精濃度高時(shí)程序流程圖

　　當(dāng)酒精濃度過高時(shí)，GSM模塊給駕駛員親人發(fā)送短信，如圖9所示?？梢妶D中的手機(jī)上的短信是中文信息，由于GSM模塊支持兩種方式來發(fā)送和接收SMS短信息，文本模式和PDU（Protocol Description Unit）模式，文本模式只能發(fā)送普通的Ascill字符，要發(fā)送圖片，鈴聲，其它編碼的字符（如中文）就必須采用PDU模式。

　　PDU模式中，可以采用三種編碼方式來編碼要發(fā)送的內(nèi)容，分別是7bit編碼，8bit編碼，16bit編碼，7bit編碼用于發(fā)送普通的Ascill字符，8bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)信息，如圖片和鈴聲，而16bit編碼用于發(fā)送Unicode字符。三種編碼可以發(fā)送的最大字符分別是160，140，70。

　　發(fā)送中文短信要采用PDU模式的Unicode編碼方式，具體步驟描述如下：

　?。?）GB2321編碼到Unicode編碼的轉(zhuǎn)換。

　?。?）Unicode編碼到16bit編碼的轉(zhuǎn)換。

　　得到的Unicode編碼后，還需要轉(zhuǎn)換成PDU的16bit編碼才可以正確的發(fā)送。

　　這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中Unicode編碼最開始的0xffff標(biāo)志要去掉，在0xffff之后的內(nèi)容才是真正的Unicode字符。

　　三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)框圖

　　1、硬件設(shè)計(jì)框圖

　　2、軟件設(shè)計(jì)框圖

　　四、測試結(jié)果