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《電子器件雜志》2014年第三期

1酒精檢測原理

駕駛員血液中酒精濃度大于或等于20mg/100mL(呼出氣體中酒精濃度47．43×10－6)，小于80mg/100mL(呼出氣體中酒精濃度189．72×10－6)的駕駛行為構(gòu)成飲酒駕車;駕駛員血液中酒精濃度大于或等于80mg/100mL的駕駛行為即為醉酒駕駛。選用MQ－3酒精濃度傳感器檢測人呼出氣體中酒精的濃度，半導(dǎo)體型酒精傳感器具有功耗小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快，而且生產(chǎn)成本相對較低等特點。MQ－3屬于旁熱式電阻型半導(dǎo)體氧化物傳感器，其氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。氣敏元件電阻R0與空氣中所含有的被測氣體中乙醇質(zhì)量濃度C之間有如下關(guān)系［5］:式中m、n是由傳感器元件材料、測量氣體、測量溫度等因素決定的常數(shù);C的單位為mg/L。R0值在純潔空氣中電阻值很大，隨空氣中乙醇質(zhì)量濃度的增加而減小，這種變化是可逆的，以此實現(xiàn)乙醇含量與電信號之間的轉(zhuǎn)換。MQ－3型靈敏度S≥5(inair/Rintypical)，敏感體電阻:1kΩ～20kΩ(inair)，響應(yīng)時間tres≤10s，恢復(fù)時間trec≤30s，探測用范圍:10×10－6～1000×10－6Alcohol，工作環(huán)境溫度:－20℃～+55℃。

多傳感器信息融合充分利用多個傳感器資源，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則組合起來，其最終目的是利用多傳感器共同聯(lián)合操作的優(yōu)勢，降低不確定性，提高整個傳感器系統(tǒng)的有效性。對于多數(shù)的酒精檢測系統(tǒng)，使用單個酒精傳感器來采集數(shù)據(jù)，然后對循環(huán)采集到的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，所得到的均值就是系統(tǒng)所獲得結(jié)果。單個傳感器檢測系統(tǒng)的測試結(jié)果受傳感器可靠性影響較大。本文采用3個MQ－3酒精傳感器對氣體中酒精濃度進(jìn)行檢測，系統(tǒng)獲得3個傳感器循環(huán)N次采集得到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用貝葉斯估計的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可以有效改善單個傳感器可靠性對最終測量結(jié)果的影響，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠性。數(shù)據(jù)融合的基本過程如圖1所示。

2系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)包括兩部分，分別是手持酒精檢測系統(tǒng)和汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)。手持酒精檢測系統(tǒng)由MQ－3酒精濃度傳感器檢測呼出氣體中的酒精濃度，以TI公司的低功耗MSP430F135單片機(jī)為核心控制芯片，包括信號采集處理、蜂鳴器報警電路、液晶顯示、鍵盤以及射頻收發(fā)模塊。汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)由汽車提供電源，選用STC汽車級單片機(jī)，包括繼電器驅(qū)動電路，GPS模塊，GSM短信模塊，射頻收發(fā)模塊。兩部分的數(shù)據(jù)通信通過nRF905射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)，系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖2所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1酒精檢測原理

3．1．1微處理器選擇TI公司的MSP430系列單片機(jī)就有超低功耗的特點，適合于通過電池供電的場合或手持設(shè)備。其電源電壓采用1．8V～3．6V低電壓，在1MHz時鐘條件下，耗電電流在0．1μA～400μA之間，系統(tǒng)有一種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)，同時數(shù)字控制振蕩器(DCO)使得從低功耗模式到活動模式的喚醒時間小于6μs;采用目前流行的精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的處理能力;集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。選擇MSP430F135作為微控制器，它集成了多種功能模塊:配置帶2個捕獲/比較寄存器的16bit定時器，8通道12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，48個I/O口，串行通信接口(USART)異步UART及同步SPI接口，16kbyte+256byteFlashMemory，512byteRAM等。系統(tǒng)使用單片機(jī)自帶的12bit高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把采集到的3路酒精傳感器信號數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

3．1．2傳感器信號采集及調(diào)理電路根據(jù)MQ－3型氣敏元件的靈敏度特性可知，信號采集電路可以輸出0～5V的電壓，由圖3所示，信號較大而不需要進(jìn)行放大，MSP430內(nèi)置A/D接口的電壓量程是3．3V，因此先根據(jù)比例關(guān)系將傳感器輸出最大量程電壓經(jīng)過差分比例放大電路適當(dāng)縮小，再采用運放跟隨電路濾波，所采用的采集及調(diào)理電路如圖4所示。使用MSP430F135內(nèi)置的8路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)對采集到的3路酒精濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)由定時器觸發(fā)A/D中斷，完成A/D采樣，把結(jié)果寫入到單片機(jī)內(nèi)置的Flash存儲器。圖4傳感器

3．1．3液晶顯示為實現(xiàn)酒精傳感器所測氣體濃度的直觀顯示，本設(shè)計選用一款低功耗的LCD液晶顯示屏來實現(xiàn)顯示功能。采用金鵬電子有限公司生產(chǎn)的OCMJ2×4C液晶顯示器，具有64×32圖形點陣，工作電壓為5V/3．3V，視窗尺寸是38．0mm×16．0mm，采用背光顯示，液晶顯示控制芯片為ST7920，支持并串的接口方式。它與MSP430微處理器的接口信號如圖5所示。RS為數(shù)據(jù)命令選取信號，當(dāng)它為高電平時，可以讀寫數(shù)據(jù)，為低電平時，可以寫入命令;R/W為讀寫選擇信號，為高電平時，讀出允許，為低電平時，寫入允許;E為芯片選擇信號，高電平有效;RST為重啟信號，低電平有效;DB0～DB7為數(shù)據(jù)總線，進(jìn)行高低電平的數(shù)據(jù)傳輸。

3．1．4nRF905射頻收發(fā)模塊nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1．9V～3．6V，工作于433/868/915MHz3個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，本文應(yīng)用433MHz的工業(yè)頻道。nRF905芯片具有功耗低的顯著特點，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。天線接口設(shè)計為差分天線，便于使用低成本的PCB天線。MSP430通過SPI總線配置nRF905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)，SPI對外由SCK(SPI時鐘)、MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)、CSN(SPI使能)4個引腳組成，對應(yīng)5個內(nèi)置寄存器和1個SPI指令集;單片機(jī)通過I/O端口控制模式配置接口PWR_UP、TRX_CE、TXEN實現(xiàn)nRF905的4種工作模式:掉電和SPI編程模式、待機(jī)和SPI編程模式、接收模式、發(fā)射模式;狀態(tài)接口CD提供載波檢測輸出，AM地址匹配輸出，DR數(shù)據(jù)就緒輸出。圖6所示MSP430F135通過端口P3、P4與nRF905模塊通信。

3．2汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)

3．2．1微處理器選擇STC12LE5A16S2單片機(jī)是宏晶科技有限公司設(shè)計生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期單片機(jī)，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，針對高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾的工作場合。工作電壓3．6V～2．2V，具有16kbyteFlash程序存儲器，1280byteSRAM，36個通用I/O口，2個獨立的通用全雙工異步串行口(UART)，高速SPI接口，工作溫度范圍:－40℃～+85℃。

3．2．2nRF905射頻收發(fā)模塊STC單片機(jī)通過SPI與nRF905模塊通信。圖7所示為其接口電路，模式控制接口TXEN、TRX_CE、PWR_UP和狀態(tài)接口CD、AM、DR分別與P0．0～P0．5連接。

3．2．3GPS模塊及GSM模塊采用Leadtek(麗臺)公司推出的一款功能強(qiáng)大、性能卓越的GPS9808模塊。它的熱啟動時間小于8s;重捕時間小于0．1s;定位精度在差分模式(DGPS)下小于5m;接口采用串行TTL電平，數(shù)據(jù)格式支持標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183、SiRF二進(jìn)制協(xié)議。模塊外部的射頻金屬保護(hù)保證了在嘈雜環(huán)境下同樣具有最佳性能;外形尺寸為24mm×20mm×2．6mm，功耗為215mW，非常適合在汽車電子等對功耗體積要求較高的系統(tǒng)中應(yīng)用［14］。TC35i是Siemens(西門子)公司專為GSM通信設(shè)計的專用模塊。支持中文短信息，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為3．3V～4．8V，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。SIM電壓為3V～1．8V，TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為300bit/s～115kbit/s，自動波特率為1．2kbit/s～115kbit/s，它支持Text和PDU格式的SMS(ShortMessageService，短消息)［15－16］。圖8是GPS9808模塊和TC35i模塊與STC11F32XE的接口電路。GPS9808模塊的TXDA是TTL串行數(shù)據(jù)發(fā)送端;RXDA是TTL串行數(shù)據(jù)接收端;PBRESN是復(fù)位引腳，低電平有效，不用時懸空。TC35i模塊中的RXD為TTL串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送端，TXD為TTL串口通信數(shù)據(jù)接收端，分別與單片機(jī)的RxD(P3．0)、TxD(P3．1)相連，通過串口發(fā)送單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送各種AT命令，完成網(wǎng)絡(luò)登錄、讀取SIM卡上電話號碼、發(fā)送SMS消息、接收SMS消息等多種功能。TC35i的IGT由單片機(jī)P0．1端口提供一個大于100ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過1ms，使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)。SIM卡接口采用6引腳卡座。

3．2．4汽車閉鎖模塊要使汽車的發(fā)動機(jī)停止工作，控制汽油噴射系統(tǒng)的供電電源即可，通過繼電器完成此功能，在汽油噴射系統(tǒng)的電源線上加裝一個常閉型繼電器，通過控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)即可完成對電源的控制。控制噴油系統(tǒng)電源的繼電器斷開，使汽車無法正常燃油運轉(zhuǎn)，汽車將無法正常啟動;繼電器回到常閉狀態(tài)，汽車的汽油噴射系統(tǒng)將恢復(fù)正常，汽車正常發(fā)動。當(dāng)系統(tǒng)微處理器給一個短時的高電平控制信號，RL1吸合后斷開，在RL1吸合瞬間晶閘管Q1導(dǎo)通，R3和C1充電電路開始充電，電路導(dǎo)通繼電器RL2吸合，使A、B兩端導(dǎo)通。微處理器再給一個短時的高電平控制信號時，RL1吸合后斷開，RL1吸合瞬間由于C1兩端為高電平，晶閘管Q2導(dǎo)通，使晶閘管Q1截止，繼電器斷開，即A、B兩端斷開。此電路的設(shè)計防止繼電器在車輛行駛過程中發(fā)生意外斷開。繼電器電路只有在微處理器給出一個短時的高電平控制信號時才會工作，控制信號端長時間保持高電平或長時間保持低電平都不能使繼電器閉合。圖9是繼電器工作電路圖。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化編程，也進(jìn)行兩部分的編寫，即手持酒精檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計和汽車閉鎖及短信發(fā)送系統(tǒng)部分軟件設(shè)計。

4．1手持酒精檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計本部分主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)信息融合、LCD液晶顯示程序、無線通信程序等。為確保酒精傳感器檢測的準(zhǔn)確性，使用MSP430F135內(nèi)部自帶12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)對三路模擬信號同時進(jìn)行采樣，完成3個MQ－3酒精傳感器數(shù)據(jù)的同步采集，以1000Hz的采樣頻率進(jìn)行采樣，由定時器觸發(fā)A/D中斷，進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換，循環(huán)采集20次數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)分別保存到3個數(shù)組中，存儲到內(nèi)存緩沖區(qū)，即測量的0．02s內(nèi)每個傳感器獲得20個數(shù)據(jù)。為減少采樣誤差和噪聲的影響，采用貝葉斯數(shù)據(jù)信息融合算法確定傳感器最后采集結(jié)果。最后通過傳感器信號與氣體濃度的線性函數(shù)關(guān)系式計算出當(dāng)前氣體的濃度。主程序流程圖如圖10所示。

4．2汽車閉鎖及無線發(fā)送系統(tǒng)部分軟件設(shè)計無線模塊接收到來自手持酒精檢測系統(tǒng)的酒精濃度、酒醉情況和對汽車的控制命令。系統(tǒng)接收到命令后，啟動汽車閉鎖控制使汽車無法啟動，GPS模塊工作以確定汽車當(dāng)前的位置。然后系統(tǒng)編譯包括酒精濃度、酒醉情況和汽車位置信息內(nèi)容，通過GSM模塊發(fā)送到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的聯(lián)系人手機(jī)上。主程序流程圖如圖11所示。

5結(jié)論

把防酒后駕駛技術(shù)設(shè)計成為車載系統(tǒng)能夠有效預(yù)防酒后駕車引發(fā)的交通事故。本系統(tǒng)中選用成本低廉的MQ－3酒精傳感器構(gòu)成多傳感器結(jié)構(gòu)對駕駛員體內(nèi)酒精濃度進(jìn)行檢測，應(yīng)用貝葉斯估計的多傳感器數(shù)據(jù)融臺方法，充分利用了先驗知識，降低傳感器故障對檢測系統(tǒng)的影響，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。系統(tǒng)檢測到駕駛員體內(nèi)酒精濃度超過20mg/100mL時，控制汽車閉鎖裝置使汽車無法發(fā)動，同時立刻把汽車位置和酒醉情況通過移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給系統(tǒng)預(yù)設(shè)的聯(lián)系人，確保駕駛員遠(yuǎn)離酒后駕車，保障生命安全。系統(tǒng)具有方便攜帶，功耗低造價低等特點，對預(yù)防酒后駕車具有很好的效果，在實際應(yīng)用中具有很好的應(yīng)用價值。

作者：楊志剛孟立凡徐青單位：中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室