汽车醉酒驾驶限制器

汽车醉酒驾驶限制器 醉酒驾驶限制器 20080916 目录 1. 系统设计 1.1 设计背景 1.2 设计目的 1.3 总体设计 1.3.1 总体设计思路 1.3.2 总体设计方案 2.1 电压源设计 2.2 MQ-3酒精传感器 2.3 A/D转换器 2.4 74LS373锁存器 2.5 AT89C51 3 系统编程 3.1 单片机编程思路及流程 3.2 A/D转换编程思路及流程 3.3 输出控制系统 3.4 系统主要程序 4 系统测试 4.1测试仪器 4.2测试方案 4.3测试数据 5 创新方面 6 拓展项目 醉酒驾驶限制器 :设计了一个基于气敏传感器的酒精浓度感应与自动报警器.本设计包括了由LM7812，KA7912，LM7805芯片组成的稳压电源,由AD574和89C51芯片控制的酒精浓度感应和自动报警器(自鸣器). 稳压源部分主要是为了提供一个稳定的能提供+12V，-12V,+5V的直流电压源.酒精感应部分主要采用了气敏传感技术,通过功率放大,完成对酒精浓度测试的功能.在气敏传感器感应到了酒精浓度超标时,将电信号转变成音频信号输出.并发出鸣响警示驾驶人员不要驾驶,并用继电器锁闭汽车的点火系统，从而保障驾驶员和乘客的安全. :气敏传感器,功率放大,直流稳压电源, AD574芯片，89C51芯片 The ethyl alcohol alarm apparatus lock up design summary report Abstract: Has designed one based on the gas sensor's strength of alcohol induction and the automatic alarm. This design has included the voltage-stabilized source which is composed of the LM7812, KA7912, LM7805 chip, (from calls) by AD574 and the 89C51 chip control's strength of alcohol induction and the automatic alarm. the constant voltage source part is mainly to provide one stably to be able to provide +12V,-12V,+5V the direct-current potential source. The ethyl alcohol induction part has mainly used the gas sensing technology, through the power amplification, completes to the strength of alcohol test function. When the gas sensor induced strength of alcohol exceeding the allowed figure, transformed the tonic train signaling output the electrical signal. And sends out resounds the caution to drive the personnel not to drive, and locks up automobile's ignition system with the relay, thus safeguards the pilot and passenger's safety. Key word: Gas sensor, power amplification, cocurrent voltage-stabilized source, AD574 chip, 89C51 chip 系统设计 1 1.1设计背景 现代社会，由于种种原因，人们的安全意识较差，酒后驾车似乎已经成为一件常事。科学研究发现，驾驶 员在没有饮酒的情况下行车，发现前方有危险情况，从视觉感知到踩制动器的动作中间的反应时间为0.75秒， 饮酒后尚能驾车的情况下反应时间要减慢2-3倍，同速行驶下的制动距离也要相应延长，这大大增加了出事的可 能性。资料明，人呈微醉状开车，其发生事故的可能性为没有饮酒情况下开车的16倍。所以，饮酒驾车，特别是醉酒后驾车，对道路交通安全的危害是十分严重的。 尽管有不少法律条例对酒后驾车进行了很严厉的处罚，但是仍然有不少司机抱着只要不被交警发现就没事 的侥幸的心里，置自己与乘客的安全于不顾，仍然酒后驾车。然而本系统的设计目的，就是进一步杜绝酒后驾 车的现象，让危险远离司机与乘客。 1.2设计目的 当驾驶员酒后驾驶汽车时，酒精传感器检测出酒精浓度超标，激发报警器报警，并且对汽车的启动系统进 行锁闭。以警示驾驶员不要酒后驾车，避免车祸的发生概率，系统的锁闭，从实际行动上阻止驾驶员酒后驾车。 1.3 总体设计方案 1.3.1 总体设计思路 本题目要求设计一个酒精检测报警器。当MQ-3酒精传感器检测到酒精浓度超标后，就会给出一定的电压值， 通过单片机的一系列控制，使报警器报警，并且当酒精浓度达到一定值时，单片机将会给出一个信号，让汽车 系统锁闭，从而使汽车无法启动。在整体设计中主要采用直流稳压电源给酒精检测传感器提供连续且稳定的脉 冲，酒精传感器发出的模拟信号，通过A/D转换器转换为数字信号，送入单片机中，通过单片机的一系列控制， 来实现报警以及汽车点火系统的锁闭。 信号采电源 气敏传语音电集和处感器 路和继理 电器锁 闭系统 1.3.2 总体设计方案 1 系统组成：正负12V稳压电源，酒精传感器，A/D转换器，单片机，电源锁闭电路，报警电路。 附：原理图 1 稳压源的设计方案与选择 方案一：采用输出固定值的稳定电压源。利用LM7812和LM7912，分别输出正负所需要的电压+12V和-12V。 方案二：采用输出固定值的稳定电压源。先由变压器将市电压转换为15V电压，通过二极管和电容的整流滤波， 得到正负相等的直流电压。由稳压二极管和电阻组成电压回路和电流回路，电阻和电位器组成取样回路，通过 三极管的放大和电压调整，输出正负12V稳定电压。 综合所述，由于考虑到设计的简洁性，所以由方案2。可以节省空间。 2 酒精传感器 方案一： 选择MQ-3酒精检测传感器。MQ-3酒精检测传感器灵敏度高同时还可抗汽油的干扰，响应速度快，一般 情况小于10秒；功耗小于0.75W，节约能源，尺寸也较小，节约空间。同时，它还具有大信号输出，期稳定时间 短，好的重复性，工作稳定可靠，微型化设计，良的抗烟雾、乙醇蒸气干扰能力。 方案二：QMJ-1酒精传感器。QMJ-1酒精传感器是专门为检测乙醇蒸汽而设计的新型传感器件。该元件对乙醇 蒸汽有较高的灵敏度，而对正己烷烃蒸气的灵敏度很低，具有较好的选择性和稳定性。 鉴于QMJ-1购买不太容易，且加热时间长于MQ-3，故选择MQ-3作为本次设计所用传感器。 3 A/D转换器设计 方案一：选用555作为模数转换器。555/7555电路,由于结构简单,使用灵活,用途十分广阔.可组成各种波形的脉冲振荡器,定时器,单稳态触发器,双稳态触发器等以及检测电路,电源调换电路,频率变换电路等等,已被广泛应用于通讯,报警,测量,自动控制等领域.但是其输出只有一位，在精度方面比较粗糙，不适合较高精度的测量。 方案二：使用ADC0809作为A/D转换器。ADC0809是八位逐次逼近式，单片CMOS集成A/D转换器，其片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路输入模拟信号分时转换，具有多路开关的地址译码和锁存电路、8位 A/D转换器和三态输出锁存器等。但是其只有8位输入，精度不够，且编程较为麻烦。 方案三：AD574A是AD574的改进产品。AD574是美国AD攻击时生产的12位逐次逼近型A/D转换器。转换时间为25us,转换精度?0.05%。而AD574的引脚、内部结构和外部应用特性基本相同，但最大转换速度由25us提高到了15us。因为AD574A/D转换器的精度较高，且编程比较容易，故选择AD574作为本次设计的A/D转换器。 2.1. 电压源设计 （1）电压源工作原理 220V市电经过变压器降压为12V,二极管桥式整流,电容滤波后，分别进入LM7812的第一脚(输入端)和LM7912的第二脚（输入端），从LM7812的第二脚（输出端）和LM7912第三脚（输出端）输出，通过电容滤波，得到稳定的 直流电压+12V和－12V。+12V电压再进入LM7805第一脚（输入端）输入，从LM7805第二脚（输出端）输出+5V。LM7812第三脚，LM7912第一脚，LM7805第三脚分别接地。从电压源输出的+12V,-12V,+5V分别提供给酒精传感器，A/D转换器和单片机。 （2）原理图 （3）调试方法与结果 调试方法： 1 检查元器件好坏，并将其按原理图连接好。 2 在通电前，用万用表检测是否焊接好并导通。 3 通电后，检查各输出点的电压是否符合要求。 经过元器件和电路的检查，均能安全工作，输出点输出主电路所要求的电压。 2.2 MQ-3酒精传感器 （1）MQ-3简介 MQ-3简介传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性快速的响应恢复特性，长期的寿命和可靠的稳定性， 简单的驱动回路。应用：用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其他场所乙醇蒸汽 的检测。 图1 MQ-3气敏元件的结构和外形如图1左所示(结构 或 由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏 元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。 （2）MQ-3的基本参数 A. 标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 ?15V AC or DC 加热电压 5.0V?0.2V AC or DC H V R负载电阻 可调 L R加热电阻 31Ω?3Ω 室温 H P加热功耗 ?900mW H B. 环境条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 -10?-50? Tas 储存温度 -20?-70? RH 相对湿度 小于 95% RH O氧气浓度 21%(标准条件) 氧气浓度会最小值大于２％ 2 影响灵敏度特性 C. 灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体电阻 1MΩ- 8 MΩ 适用范围： 10-1000ppm (200ppm alcohol ) Alcohol α 浓度斜率 ?0.6 （200/100） alcohol 标准工作条件 温度： 20??2? Vc:5.0V?0.1V 相对湿度： 65%?5% Vh: 5.0V?0.1V 预热时间 不少于24小时 （3）测试电路图 （4）MQ-3的测试数据及 如测试电路图所示，连接酒精传感器的测试电路，并在输出端加入一个固定电阻，测量电阻两端的电压变化。 用两个稳压源对酒精传感器提供+5V和+12V电压分别作为加热和信号源，经过电阻后输出测得数据。经测试，在 没有酒精的情况下，测得输出电压是随着加热时间的长度变化而逐渐下降，当检测到酒精时，输出电压瞬间增 加到一个稳定值，增加幅度从0.2-5V左右。变化幅度大小可以表现出传感器的灵敏度和酒精浓度大小。 2.3 A/D转换器 （1）简介 AD574A是AD574的改进产品。AD574片内配有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位微处理器接口，且能与CMOS及TTL电平兼容。由于AD574片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，从而使该芯片在 不需要任何外加电路和时钟信号的情况下完成A/D转换，应用非常方便。 （2）AD574A引脚功能 DB0～DB11：12为数据输出线。DB11为最高位，DB0为最低位，他们可由控制逻辑决定是输出数据还是对外呈高 阻状态。 12/8：数据模式选择。当此引脚输入为高电平时，12位数据并行输出；当此引脚为低电平时，与引脚A0配合，把12位数据分2次输出。应该注意，与此引脚不与TTL兼容，若要此引脚为高电平，则应接脚1，若要此引脚为低电平，应接脚15. A0:字节选择控制。此引脚有两个功能，一个功能是决定方式是12位还是8位。若A0=0，进行全12位转换，转换时间为25us；若A0=1，仅进行8位转换，转换时间为16us。另一个功能是决定输出数据是高8位还是低4位。若A0=0，高8位数据有效；若A0=1，低4位有效，中间4位为“0”，高4位为高阻状态。因此，低4位数据读出时，应遵循左对齐原则（即高8位+低4位+中间4位的“0000”）。 CS：芯片选择。当CS=0时，AD574A被选中，否则AD574A不进行任何操作。 R/C:读/转换选择。当R/C=1时，允许读取结果，当R/C=0，允许A/D转换。 CE:芯片启动信号。当CE=1时，允许读取结果，到底是转换还是读取结果与R/C有关。 STS：状态信号。STS=1表示正在进行A/D转换，STS=0表示转换已经完成。 REFOUT:+10V基准电压输出。 REFIN:基准电压输入。只有由此脚把从“REFOUT”脚输出的基准电压引入到AD574A内部的12位DAC,才能进行正常的A/D转换。 BIPOFF:双极性补偿。此引脚适当连接，可实现单极性或双极性输入。 10Vin：10V量程模拟信号输入端。对单极性信号为10V量程的模拟信号输入端，对双极性信号为?5V模拟信号输入脚。 20Vin：20V量程输入端。单极性信号为20V量程的模拟信号输入端，对双极性信号为?10V量程模拟信号输入脚。 DG:数字地。各数字电路（译码器、门电路、触发器等）及“+5V”和“－15V”电源地。 Vlog:逻辑电路供电输入端，+5V。 Vcc：正电源端，Vcc=+12V～+15V. Vee:负电源端，Vee=－12V～－15V。 （3）AD574工作原理 AD574A的CE、12/8、CS、R/C和A0对其工作状态的控制过程。在CE=1、=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当=0时A/D转换，当=1是进行数据读出。和A0端用来控制启动转换的方式和数 据输出格式。A0-0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和控制数据输出状态的格式。当=1时，数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。 2.4 74LS373锁存器 74LS373为三态输出的八 D 透明锁存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 两种线路结构型式，本次设计主 要采用74LS373，由于A/D转换器输出12位，而单片机最多8位，在传输中必须先读高8位，再读低4位，对数据进行暂时锁存的作用。373 的输出端 O0~O7 可直接与总线相连。 当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0~O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总 线。当 OE 为高电平时，O0~O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线 的负载，但 锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在 已建立的数据电平。 当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰 度被改善 400mV。 引出端符号： D0～D7 数据输入端 OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 O0~O7 输出端。 2.5 AT89C51 AT89C51是一种低功耗，高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，而且与80C51引脚和指令系统完全兼容。本系统主要利用单片机对A/D转换进行控制，由模拟信号转换为数字信号，经过比较对应输出 3 系统编程 3.1单片机编程思路及流程 思路： （1）分析预完成任务：明确系统的设计任务，功能，要求和技术指标。本次设计重要是声光报警和点火系统锁 闭的实现。 （2）采用模块化的设计方法：模块化能把多功能的复杂程序划分为若干个简单的，功能统一的程序模块，这有 利于程序的设计，调试，优化和分工，使设计者和阅读者对程序的一目了然。主要包括的模块有：A/D转换部 分和输出控制部分。 （3）循环结构和子程序的使用：这不仅使程序的长度减小，还进一步减少内存空间。 流程： 开始 初始化 A/D转换 控制检测输 出 结束 3．2A/D转换编程思路及流程 思路： A/D转换是整个系统的桥梁，决定着系统输出能否实现，同时也取决于酒精传感器输出。对于A/D转换器的输入有两种方式：单极性和双极性。由于酒精传感器的输出电压在15V以上，顾选用单极性输入。A/D转换主要包括：A/D采样初始化，中断程序和模拟量采集。 流程： 开始 保护现场 模拟量采集 读数据 恢复现场 开中断 中断返回 3.3输出控制系统 输出控制主要由单片机，蜂鸣器，发光二极管，继电器等实现。在酒精传感器检测到酒精蒸汽时，一旦测 得酒精浓度超过标准值，则发光二极管亮红灯，同时蜂鸣器发出报警，点火系统不能正常点火。 开始 赋阈值 比较阈值（高八位） 子程序S1（声子程序S2（比较子程序S0（正常光报警） 低4位） 点火） 延时 结束 3.4系统主要程序 ADC EQU 40H ST BIT P1.0 ORG 0000H LJMP DEL ORG 0013H LJMP MAIN ;主程序 ORG 0030H LJMP XAD ;中断1 A/D采样子程序 ORG 0100H LJMP BEGIN ORG 0300H MAIN: MOV SP,#60H ;设置堆栈 SETB EA CLR IE1 SETB IT1 SETB P1.1 SETB P1.2 SETB P1.3 CLR P2.0 START: LCALL CJ ;***************************************** ;* A/D采样子程序 初始化 * ;***************************************** AD1: PUSH DPH PUSH DPL PUSH ACC MOV DPTR,#0C000H;打开 0 通道 MOV A,#08H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#9000H ;启动A/D转换 MOVX @DPTR,A SETB EX1 POP ACC POP DPL POP DPH RET ;******************************************* ;* A/D 574的中断子程序 * ;******************************************* XAD: PUSH DPH PUSH DPL PUSH ACC MOV DPTR,#9002H;读入高8位结果放入50H MOVX A,@DPTR MOV 50H,A INC DPTR MOVX A,@DPTR ;读入低4 位结果放入51H MOV 51H,A CLR EX1 POP ACC POP DPL POP DPH RETI ;******************************************** ;模拟量采集 * ;******************************************** CJ: MOV R0,#40H LCALL AD1 ;第一端口模拟量采集 AJMP $ MOV A,50H MOV @R0,A INC R0 MOV A,51H MOV @R0,A NOP NOP RET BEGIN: MOV SP,#60H MOV 30H,#00H ;高8位阈值 MOV 31H,#00H ;低4位阈值 MOV A,30H SUBB A,50H ;(30H)-(50H) JC S1 ;(CY=1)跳到S1 JZ S2 ;(A=0)跳到S2 LJMP START ;***************************************** ;* 蜂鸣器不响，绿灯亮，红灯灭，正常点火 * ;***************************************** S0: CLR P2.0 CLR P1.3 SETB P1.1 SETB P1.2 LCALL DEL SETB P1.3 RET ;***************************************** ;* 蜂鸣器响，绿灯灭，红灯亮，不能点火 * ;***************************************** S1: CLR P1.1 CLR P1.2 SETB P1.3 SETB P2.0 LCALL DEL SETB P1.1 SETB P1.2 RET ;***************************************** ;* 判断低4位 * ;***************************************** S2: MOV A,31H SUBB A,51H JC S1 JZ S0 RET ;***************************************** ;* 延时20秒子程序 * ;***************************************** DEL: MOV R2,#200 DEL1: MOV R3,#250 DEL2: DJNZ R3,DEL2 DJNZ R2,DEL1 DJNZ R1,DEL END 4 系统测试 4.1测试仪器 万用表，单片机测试仪。 4．2 测试方案 给酒精传感器分别提供+5V和+12V的电压，给AD574模数转换器分别提供+12V和-12V的电压，给单片机提供+5V 的电压。首先测试未放酒精时酒精传感器两端输出的电压及单片机输出的电压并记录数据。让含有酒精的气体 迅速通过酒精传感器，然后测试酒精传感器两端的输出电压和单片机的输出电压并记录数据。注意酒精通过传 感器的前后电压的变化值。 4．3测试数据 1 单片机输出电压测试 1 2 3 4 次数 10.5 10.3 908 10.1 单片机输出电压（未 放酒精前） 0.2 0.5 0.2 0.4 单片机输出电压（放 酒精后） 2 酒精传感器测试数据 1 2 3 4 次数 7.7 6.5 8.3 5.8 酒精传感器输出电 压（未放酒精前） 8.9 8.0 9.8 7.2 酒精传感器输出电 压（放酒精后） 7.5 6.9 8.0 6.0 恢复电压 658s 721s 588s 601s 恢复时间 5 创新方面 针对醉酒驾驶和现今交警普遍使用的手持式酒精测试仪，结合汽车的特点，设计出这款“醉酒驾驶限制器”， 通过检测酒精浓度实现对点火系统的控制，从实际上达到防止醉酒驾驶的目的。 6 拓展项目 在本系统中，使用了AT89C51芯片，各方面的应用比较广泛。这不仅能实现本次作品中的功能，还可以在测试电路中加上温度、湿度测试,或者在后续电路中添加语音芯片和液晶屏显示电路，进行语音报警和显示，以达到温湿气三体合一。 附录 1 元器件清单 名称 数量 名称 数量 名称 数量 酒精传感器MQ-3 1 AD574 1 89C51 1 电阻100 1 电阻200 1 电阻1K 3 电容33u 1 74LS373 1 2 参考文献