隨著汽車保有量的不斷攀升，酒駕問(wèn)題已成為威脅道路交通安全的重大隱患。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2023年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量高達(dá)4.35億輛，而酒后駕駛引發(fā)的交通事故占比超過(guò)30%，人員死亡率居高不下。為從源頭上遏制酒駕行為，保障行車安全，車載芯片技術(shù)在防酒駕系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。本文聚焦于一款基于AT89C52芯片的車載防酒駕系統(tǒng)，深入剖析其設(shè)計(jì)原理、功能模塊以及實(shí)際應(yīng)用效果，旨在為車載芯片在智能交通領(lǐng)域的拓展提供有益參考。
《2025-2030年中國(guó)車載芯片行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查研究及投資前景分析報(bào)告》近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車保有量逐年上升。然而，伴隨著車輛數(shù)量的增長(zhǎng)，交通事故數(shù)量也隨之逐年增加。酒后駕駛是引發(fā)交通事故的主要因素之一，且其引發(fā)的交通事故人員死亡率最高。以往的交通事故中，30%以上是由酒后駕駛引起的。為有效預(yù)防駕駛員酒駕，保障道路交通安全以及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，開發(fā)一套能從源頭上科學(xué)、高效預(yù)防駕駛員酒后駕駛的系統(tǒng)顯得尤為重要。車載芯片作為智能交通系統(tǒng)的核心部件，其在防酒駕系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊的前景。
車載芯片市場(chǎng)分析提到本系統(tǒng)以AT89C52主控芯片為核心，旨在預(yù)防酒駕。其通過(guò)在汽車方向盤輪緣設(shè)置酒精濃度監(jiān)測(cè)傳感器和心率檢測(cè)傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛?cè)藛T汗液中的酒精含量(BAC)、心率(HR)以及車內(nèi)人員呼出氣體酒精含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)會(huì)將檢測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，進(jìn)而從汽車啟動(dòng)和行駛、行駛速度和時(shí)間以及語(yǔ)音播報(bào)、LED燈顯示等方面對(duì)汽車進(jìn)行控制并提示駕駛者。具體而言：一是當(dāng)酒精含量處于0~0.1 mg/mL時(shí)，汽車正常啟動(dòng)，LED燈顯示綠色;二是當(dāng)酒精含量處于0.2~0.8 mg/mL，或者酒精含量大于0.1 mg/mL且心率大于110次/min時(shí)，汽車無(wú)法啟動(dòng)，語(yǔ)音播報(bào)“酒駕，請(qǐng)勿行駛”，LED燈顯示紅色;三是在緊急情況下需要挪車或者飲酒但酒精含量(0.1~0.2 mg/mL)未達(dá)到酒駕標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)提供緊急模式功能，車輛可啟動(dòng)并以10 km/h的速度行駛30 min。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以AT89C52芯片為核心。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能，系統(tǒng)采用接觸式酒精傳感器，檢測(cè)對(duì)象為駕駛員手指，傳感器安裝在汽車方向盤輪緣(即駕駛員開車時(shí)手握頻率最高的地方)。系統(tǒng)中的模塊基于紅外檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，以紅外傳感器為核心。當(dāng)駕駛員握住方向盤時(shí)，酒精檢測(cè)模塊在處理器控制下開始按設(shè)定時(shí)間循環(huán)檢測(cè)駕駛員體內(nèi)的酒精含量。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛員體內(nèi)酒精含量超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)通過(guò)TFT顯示屏顯示警示信息以提醒駕駛員，同時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出刺耳蜂鳴聲，提示駕駛員注意自身狀態(tài)，讓乘客和駕駛員都能了解駕駛員的生理狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)共同監(jiān)督的目的。同時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)送到車輛的繼電器使其斷路，讓汽車線路斷電，致使車輛無(wú)法啟動(dòng)。此時(shí)，GPS定位模塊和GSM無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)也將開始工作，把車輛的位置信息和駕駛員狀態(tài)等信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到設(shè)定的終端監(jiān)控設(shè)備。
(一)MCU微控制器模塊
MCU微控制器模塊以AT89C52芯片為核心，接入復(fù)位電路、晶振電路等構(gòu)成微控制器模塊。此微控制器是高性能、低功耗且數(shù)據(jù)處理能力極強(qiáng)的MCU，能滿足本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的要求，它擁有32個(gè)可編程I/O口、8個(gè)中斷源、可編程串行UART通道以及低功耗空閑和掉電模式。
(二)酒精檢測(cè)模塊
該模塊是基于紅外檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，酒精紅外傳感器為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)類型傳感器，這種金屬氧化物傳感器也被稱為化學(xué)電阻，在有醇成分時(shí)，可基于感測(cè)材料使電阻值發(fā)生變化。將其電阻置于復(fù)雜的分壓電路中，就能檢測(cè)到酒精濃度。該傳感器可在5 V DC電壓下工作，功耗約600 mW，檢測(cè)酒精體積分?jǐn)?shù)的范圍為15×10^-6~500×10^-6。該模塊主要采集駕駛員汗液中的酒精濃度，將檢測(cè)到的酒精濃度數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU控制器，由控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。若酒精濃度超過(guò)閾值，則報(bào)警模塊及時(shí)報(bào)警，并將該信息發(fā)送到設(shè)定的終端設(shè)備上，同時(shí)車輛無(wú)法啟動(dòng)。
(三)心率檢測(cè)模塊
心率檢測(cè)模塊采用光電式傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由光源和光電轉(zhuǎn)換器兩部分組成。光源會(huì)向皮膚發(fā)射光線，人體皮膚組織將光線反射回傳感器，通過(guò)變換器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。該模塊主要檢測(cè)駕駛員的心率，MCU對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以判斷駕駛員是否疲勞駕駛，若疲勞駕駛則警示模塊及時(shí)向駕駛員發(fā)出警告。
(四)報(bào)警模塊
報(bào)警模塊由壓電式蜂鳴器構(gòu)成，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器、共鳴箱和外殼等組成，可分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器。本系統(tǒng)采用有源蜂鳴器，它在無(wú)外部晶振的情況下接通電源即可工作，這提高了報(bào)警模塊的可靠性與穩(wěn)定性，同時(shí)降低了功率損耗。當(dāng)檢測(cè)到駕駛員酒精濃度超標(biāo)時(shí)，MCU控制器會(huì)給蜂鳴器上電，以此提醒駕駛員不要疲勞駕駛，前往就近服務(wù)區(qū)休息或者在安全的情況下就地休息。
(五)通信模塊
通信模塊由蜂窩網(wǎng)絡(luò)GSM組成。GSM通信模塊需要將以上各種情況下出現(xiàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行同步并加以分析處理，所以設(shè)計(jì)的程序應(yīng)能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)、將數(shù)據(jù)(例如通話、通信指令等)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。該模塊主要用到信源與輸入變換器、調(diào)制器和輸出變換器。
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化與編程的設(shè)計(jì)思路。把端口中每個(gè)功能模塊的功能集成起來(lái)形成一個(gè)子程序，并預(yù)留一些參數(shù)接口。當(dāng)成功調(diào)試完所有模塊后，進(jìn)行各模塊的集成，這時(shí)每個(gè)模塊的子程序在主程序中直接調(diào)用就能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。為主機(jī)開發(fā)軟件程序時(shí)同樣遵循這一原則。最后，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮每個(gè)模塊的調(diào)試工作。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含在Keil5環(huán)境下編寫C語(yǔ)言主程序流程、酒精檢測(cè)模塊、心率檢測(cè)模塊、GSM通信模塊等部分。各模塊軟件程序流程清晰明了，確保了系統(tǒng)的高效運(yùn)行。
根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇電子元器件并完成實(shí)物焊接，將軟件程序燒錄到主控芯片中。根據(jù)《車輛駕駛?cè)藛T血液、呼吸酒精含量閥值與檢驗(yàn)》(GB 19522—2004)以及正常成年人在安靜狀態(tài)下和飲酒后心率范圍參考值，在系統(tǒng)主程序中對(duì)酒精含量和心率的閾值以及執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。以52% vol的白酒作為酒精含量源，人體手腕位置作為心率源，通過(guò)調(diào)整酒精瓶口與酒精傳感器的距離來(lái)改變酒精含量，通過(guò)運(yùn)動(dòng)獲得不同的心率，從而對(duì)制作的實(shí)物進(jìn)行模擬測(cè)試。利用Proteus仿真平臺(tái)，按照設(shè)計(jì)方案搭建各功能模塊電路，其中用一個(gè)繼電器和電機(jī)代替汽車，以此模擬汽車接通或斷開電源以及汽車行駛或停止的狀態(tài)，在酒精含量傳感器和心率傳感器端輸入不同的模擬值，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。模擬測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)方案是可行的，能夠?qū)︸{駛者汗液中的酒精含量和心率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)值通過(guò)顯示屏顯示酒精含量、心率和駕駛狀態(tài)，通過(guò)LED燈顯示的不同顏色和蜂鳴器報(bào)警的不同聲音提示危險(xiǎn)等級(jí)，有酒駕或醉駕風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，汽車電源將被強(qiáng)制關(guān)斷。
七、總結(jié)
本系統(tǒng)以AT89C52芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)置于方向盤邊緣的酒精和心率傳感器采集駕駛者汗液中的酒精含量和人體心率，還使用了GPS定位系統(tǒng)和GSM通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛以及駕駛?cè)诵畔⒌膶?shí)時(shí)反饋。經(jīng)仿真模擬和實(shí)測(cè)，本系統(tǒng)能夠?qū)岂{行為起到很好的限制和警告提示作用，將酒駕行為遏制在萌芽階段，以保護(hù)駕駛者和乘坐人員的生命安全。系統(tǒng)還可與交管部門或城管部門互聯(lián)，拓展違章停車提示功能。此外，本系統(tǒng)在造價(jià)方面，成本較低;在便捷性方面，相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，更具可操作性，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
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