基于单片机的酒驾预防报警系统设计

日期:2019-08-01 13:29 作者:澳门皇冠 来源:皇冠现金

  1.1什么是单片机 1.1.1单片机的简述 1.1.2单片机的应用领域....................................................................................... 1.1.3单片机的发展 1.1.4常见的单片机 1.1.5单片机的开发 1.2系统设计的背景 1.2.1设计的社会背景 1.2.2设计的研究背景 1.3系统设计的目的 1.4酒驾预防系统的应用 2.1方案选择论证 2.2本课题的设计任务及要求 2.1.1设计任务 2.1.2设计要求 2.3主控芯片的选择 2.3.1单片机的类型及单片机的选择 2.3.2AT89C52 的主要性能 112.3.3 AT89C52 的引脚结构及说明 112.4 气体传感器的选择 142.4.1 MQ3 气体传感器的原理 142.4.2 MQ3 的工作条件及环境条件说明 152.4.3 呼出酒精气体浓度与血液酒精浓度关系 162.5 182.5.1 PCF8591 功能与描述.................................................................................. 18 2.5.2PCF8591 的特性 182.5.3 PCF8591 引脚信息 192.6 通讯模块............................................................................................................... 20 2.6.1 通讯模块主要功能介绍 202.6.2 通讯模块与主控芯片的连接 223.1 单片机的时钟电路 223.2 单片机的复位电路 233.2.1 上电自动复位 233.2.2 按键手动复位 233.3 酒精传感器模块 253.4 ADC 电路 263.4.1 ADC 的主要技术指标 263.4.2 ADC 电路图 263.5 声光报警电路 273.5.1 蜂鸣器开关电路的选择 273.5.2 声光报警系统的实现 283.6 液晶显示电路 293.7 通信指示模块及继电器电路 313.8 总电路图............................................................................................................... 31 334.1 概述 334.2 酒精模块程序 354.3 ADC 模块的程序................................................................................................... 36 385.1 酒精模块灵敏度的调整 385.2 GSM模块的调试 395.2.1 GSM模块结构介绍 395.2.2 GSM模块的短信调试 5.3电路板的焊接及组装 425.4 系统调试............................................................................................................... 43 44参考文献 46附录 酒驾预防系统程序 1.1什么是单片机 1.1.1 单片机的简述 单片机,全称单片微型计算机(英语:Single-Chip Microcomputer),又称微控制 器(Microcontroller),是把中央处理器、存储器、定时/计数器(Timer/Counter)、各 种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的 通用型微处理器相比,它更强调自供应(不用外接硬件)和节约成本。它的最大优点是 体积小,可放在仪表内部,但存储量小,输入输出接口简单,功能较低。由于其发展非 常迅速,旧的单片机的定义已不能满足,所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制 器;由于单芯片微电脑常用于当控制器故又名single chip microcontroller,但是目前在中 国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。 现在,单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系 统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在 产品名称前冠以形容词——“智能型”,如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员 或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被 仿制。究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上 1.1.2单片机的应用领域 单片机的应用领域包括以下几个方面: 汽车电子与航空航天电子系纤统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪 迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自 动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保 障系统,录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些 都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此,单 片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 1.1.3 单片机的发展 单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器CPU(Central Processing Unit)、随机存 储器RAM(Random Access Memory)、只读存储器ROM(Read Only Memory)、中断系统、 定时/计数器和多种I/O 口(Input/Output Ports)的一个不带外部设备的微型计算机。它 具有计算机的基本属性,所以可以称它为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer), 简称单片机。 1971 年微处理器研制成功后不久,就出现了单芯片的微型计算机,即单片机。最早 的单片机是一位的。1976 年Intel 公司推出了第一代8 位单片机的代表产品——MCS-48 系列单片机8048,它将CPU、串行口、定时器和128BRAM集成在一块芯片内,使用 的是NMOS 工艺。 位单片机的推出作为起点,单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:第一阶段(1976-1978):单片机的控索阶段。以Intel 公司的MCS-48 为代表。MCS-48 的推出是在工控领域的控索,参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog 等,都取得了 满意的效果。这就是SCM的诞生年代,“单机片”一词即由此而来。 第二阶段(1978-1982)单片机的完善阶段。Intel 公司在MCS-48 基础上推出了完 善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机 体系结构。 完善的外部总线 位单片机的总线 位数 据总线 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 CPU外围功能单元的集中管理模式。 指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的指令。第三阶段(1982-1990):8 位单片机的巩固发展及16 位单片机的推出阶段,也是 单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的MCS-96 系列单片机,将一些用于测控 系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制 器特征。随着MCS-51系列的广应用,许多电气厂商竞相使用80C51 为内核,将许多测 控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D 转换部件、可靠性技术等应用到单片 机中,增强了外围电路路功能,强化了智能控制的特征。 第四阶段(1990—):微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入 地发展和应用,出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8 位/16 位/32 位通用型单片机, 以及小型廉价的专用型单片机。 随着技术的发展,2000 年后已经有很多单片机自带了ISP(在线编程设计)或支持 IAP,彻底地改变了传统的开发模式,使得开发单片机系统时不会损坏芯片的引脚,加 速了产品的上市并降低了研发成本,缩短了从设计、制造到现场调试的时间,简化了生 产流程,大大提高了工作效率。这类单片机包括AT89S 系列单片机、AVR 系列单片机 1.1.4常见的单片机 微芯公司的PIC 系列出货量居于业界领导者地位;Atmel 的51 系列及AVR 系列种 类众多,受支持面广;德州仪器的MSP430 系列以低功耗闻名,常用于医疗电子产品及 仪器仪表中;瑞萨单片机在日本使用广泛。 ARM系列单片机 AVR系列(爱特梅尔公司) AtmelAT91 series (ARM 处理器等) ATmegaseries AVR(Atmel 的高性能RISC ATXmegaseries AVR(Atmel 的高性能RISC 32 位单片机,新产品) AtmelAT89 series (Intel 8051/MCS51 架构8 位单片机) Intel8051 系列历史悠久,相容产品众多,使用广泛 MCS96系列 STC宏晶系列单片机 STC89Cseries 6T/12T 增强性单片机 (Intel 8051 架构,有外部总线T 增强性单片机 (Intel 8051 增强架构,无外部总线程 序支持) Microchip(微芯公司)的PIC微控制器系列 PADAUK应广科技全系列单片机(多核心单片机) SyncMOS新茂国际科技全系列单片机 Renesas瑞萨科技系列单片机 1.1.5 单片机的开发 软件 单片机的软件开发中,以往多使用汇编语言,如今越来越多的使用C 语言,又或者 使用BASIC 语言等更适合初学者的语言,部分集成开发环境支持C++。单片机的软件测 试需要使用单片机开发器或模拟器。 硬件 开发板可以进一步简化程序的开发和烧制过程。开发板可能包含实际芯片或是仿真 器。通过配套的下载线连接电脑与开发板,在电脑上编写程序下载到开发板。批量生产 会用到编程器。 软件开发环境 微芯公司的MPLAB IDE 可用于该公司全系列微控制器的开发与除错,除支持 该公司的 ASM ARM公司的 Vision集成开发环境(原为 Keil 公司产品,2005 年该公司已 ARM购并),包含组译器与 编译器,可用于51单片机及ARM开发。 PROTEUS Proteus 软件是初学者入门的首选软件,它是Labcenter Electronics 公司的一款商业 版电路设计与仿真软件。内包括ISIS、ARES 等软件模块。ARES 模块主要用来完成PCB 的设计,ISIS 模块用来完成电路原理图的布图与仿真。 Proteus 的软件仿真基于VSM技术,它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在 于能仿真大量的单片机芯片,比如MCS-51 系列、PIC 系列等等,甚至ARM处理器, 以及单片机外围电路,比如键盘、LED、LCD 等等。该软件还附带了一些案例和丰富的 帮助文件。1.2 系统设计的背景 1.2.1 设计的社会背景 现行的道路交通安全法规定,醉酒后驾驶机动车的,处15 日以下拘留和暂扣3 月以上6个月以下机动车驾驶证,并处500 元以上2000 元以下罚款。 醉酒驾驶营运机动车吊销驾驶证,10年禁驾并依法追究刑责;重新取得驾驶 证后,不得驾驶营运机动车。 酒驾罚款1000元以上2000 元以下,暂扣驾驶证6 个月;再次酒驾拘留10 和罚2000元,吊销驾驶证。 酒驾营运机动车,拘留15日,罚款5000 元,吊销驾驶证且5 2004年初,京城首家专门以“酒后代驾”为经营项目的奔奥安达公司应运而生。酒 后代驾是一种新兴行业,也很好地融入酒驾的控制当中。但是代驾有其各种弊端,例如 因为季节性而没有足够专门提供代驾的企业。再者,喝完酒的人可能会失去平时的理智, 因此,代驾还是未能成功抑制酒驾的发生。 1.2.2 设计的研究背景 目前,世界各国判定酒后驾驶的主要测试法有两类,一类是初步判定,即采用现场 清醒测试。在美国,现场清醒测试又叫标准化领域的清醒测试(SFSF),包含三项测试: 横向凝视眼球震颤(HGN)检测、步行回转(WAT)检测、单腿独立(OLS)检测。这是一项简 便有效、可靠的醉酒驾车路边检测方法。在我国,国家标准《车辆驾驶人血液、呼气酒 精含量阈值与检验》(GB19522-2010)规定了人体平衡试验作为评价驾驶能力的依据。另 一类是精确测定血液酒精浓度。人体血液中的酒精浓度可以通过检测血液、呼气、唾液 得到。测定血液酒精浓度的方法又可以分为血液酒精检测、呼气酒精检测、唾液酒精检 测等。目前,呼气酒精检测技术是判断是否酒后驾车最简单可行的方法,各地公安交通 管理部门使用的呼气酒精检测仪产品主要有比色型、半导体型、电化学型及红外型四类。 其中半导体型受环境影响比较小,因此成为了最主要的测试仪器,半导体型呼气酒精检测仪是利用氧化锡半导体传感器的气敏特性导致电阻值降低的原理,不同的工作温度, 气体的敏感程度不同,在特定的温度,对酒精具有较高的敏感度 半导体型呼气酒精检测中的半导体是一种专门用来检测酒精浓度的气敏传感器。气敏传感器在生活上的应用是非常广泛的,经常被用来监测气体是否泄露,借此及时地向 控制者报警而防止不必要的危害。随着人们对生活水平要求的提高,半导体气敏传感器 越来越受到人们的重视,这类传感器更多地应用在空气质量的监测,家里燃气泄露的检 测等等。半导体气体传感器已经成为了生活中不可或缺的一部分了。 利用气敏传感器来制作酒精探测之类的仪器也越来越普遍了。山东理工大学的宋振 腾已经于2011 年率先在中国申请了一个叫做《一种新型酒后驾驶预防系统》的专利, 该系统的特征在于包括了控制系统、位于车门与车身连接处的启动开关、驾驶座的上方 的酒精传感器、仪表盘下方的警报装置、驾驶座垫中的压力传感器、安装在驾驶座靠枕 右侧的可选装曲柄上的风压传感器、酒精传感器等。这个装置主要用来监测车内有驾驶 员时的酒精浓度,一坐上驾驶座就会启动了 。许多汽车公司也在汽车上加了酒驾预防系统,像日产汽车于2007 月在日本发布的汽车就已经加入了酒测系统。还有萨博、沃尔沃等汽车品牌也加入了这一个行列之中 1.3系统设计的目的 酒后驾车容易发生交通事故,为了减少或杜绝这种现象,通常是采用呼气酒精测试 仪对驾驶人员进行现场检测,以确定驾驶人员是否饮酒。目前,市场上警用酒精测试仪 种类繁多、功能强大、灵敏度高,但是由于它没有安装在汽车内部,只能由交警人员来 实施,因此对预防及杜绝酒后驾车仍然未能有效实施。而且,交警经常出动对酒驾进行 临时定点的检查,非常浪费人力资源。 本系统设计可以安装在汽车中,对驾驶室的酒精浓度进行探测,若驾驶员喝过酒, 酒驾系统将会控制汽车熄火并通知驾驶员朋友,为驾驶员的安全及控制酒驾提供保障。 1.4 酒驾预防系统的应用 本文将提出了一种基于89C51 单片机的低功耗酒驾预防系统。设计中将包括单片机 模块、酒精传感器模块、模数转换模块、声光报警模块、液晶显示模块和GSM报警模 块等六大模块,编程将采用C 语言程序编写。探测仪安装在汽车内,当驾驶人员进入驾 驶室后,系统将自动对酒精浓度进行探测,以确保行车的安全。系统可以根据检测到的 酒精含量是否超标控制汽车点火器打开或者关闭,如果超标,则驾驶人员无法启动汽车,并会发送信息给原先设定的手机号码,通知朋友前来取车,因此从根本上杜绝了酒后驾 车的出现。该系统具有性价比高,智能化程度高,工作稳定可靠的优点 总体设计根据设计要求,酒驾系统从采样到判断下一步行为,整体设计如图2.1 所示。 图2.1 系统整体框图 2.1 方案选择论证 酒驾预防报警系统一般是由酒精探测器、酒驾报警控制器和接警中心(硬件加软件) 组成。该系统设计方案有以下两种备选方案: 方案一:利用驾驶员在开车门的时候对其进行酒精检测,若酒精超标,汽车将不能 启动,通过预先设定的GSM模块报警,通知朋友前来取车。 方案二:将酒精探测器装在驾驶室的上前方的位置,当探测到酒精浓度超标时,汽 LCD模块 声光报警模块 酒精探测 GSM 模块 熄火装置模块 车将熄火并报警,通知他人前来取车。由于方案一只是在开门时进行检测,尽管检测到酒精超标时预防事故率将达到百分 之百(由于车子尚未启动)。但是,在开门那一个时间段,若出现喝过酒但又因为当时 外部环境如刮风等因素的影响而未检验到酒精成分,将影响到酒精成分的探测结果,对 驾驶员的生命安全产生非常不利的影响。综合考虑,尽管可能未能第一时间禁止驾驶员 酒后驾车,但是能全程监控驾驶室的酒精浓度,保证驾驶员的生命安全,本系统将采用 第二种方案进行探究。 2.2 本课题的设计任务及要求 2.1.1 设计任务 利用单片机结合传感器技术设计车内酒驾报警系统。当探测器检测到酒精浓度后, 通过向单片机发出请求,由单片机控制语音提示或中断汽车点火,实现报警。汽车行驶 过程中可实时监控驾驶员酒精浓度,作出反应。 2.1.2 设计要求 气体传感器MQ3的电压模拟输出范围为0-5V; 模数转换芯片PCF8591采样电压范围为0-5V,分辨率为8 位,采样精度为 5/256V,达到256 个量化级的数字电压,其工作频率为1MHz; 单片机AT89C52工作频率为12 MHz; LCD显示器将对应显示0-255ppm; GSM模块向手机号码为的手机发送短信“酒后驾驶,注意安全”。 2.3 主控芯片的选择 2.3.1 单片机的类型及单片机的选择 20 世纪80 年代以来,单片机的发展非常迅速,就单片机而言,世界上一些著名的 计算机厂家已投放市场的产品就有50 多个系列,数百个品种。目前世界上较为著名的8 位单片机的生产厂家和主要机型如下: 美国intel公司:MCS-51 系列及其增强型系列 美国Motorola公司:6801 系列和6805 系列 美国Atmel公司:89C51 等单片机 美国Zilog公司:Z8 系列及SUPER8 美国Fairchild公司:F8 系列和3870 系列 10 美国Rockwell公司:6500/1 系列 美国T1(德克萨司仪器仪表)公司:TMS7000系列 NS(美国国家半导体)公司:TMS7000系列 尽管单片机的品种很多,但是在中国使用得最多的还是intel 公司的MCS-51 系列单 片机和美国的Atmel 公司的89C51 单片机。 MCS-51 系列单片机包括三个基本型8031、8051 和8751。 8031内部包括一份8 位CPU、128 个字节,21 个特殊功能寄存器(SFR)、4 个全双工串形口、2个16 位定时器,但片内无程序存储 器,外扩EPROM芯片。比较麻烦,不予采用。 8051是在8031 的基础上,片内集成有4KB ROM,作为程序存储器,是一个程 序不超过4K 字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时,代为用户烧制 的,出厂的8051 都是含有特殊用途的单片机。所以8051 适合与应用在程序已 定,且批量大的单片机产品中。也不予采用。 8751是在8031 基础上,增加了4K 字节的EPROM,它构成了程序小于4KB 小系统。用户可以将程序固定在EPROM中,可以反复修改程序。但是价格相对8031 较贵。8031 为外扩一片4KB EPROM的就相当于8751,它的最大优点 是价格低。随着大规模集成电路不断发展,能装入片内的外围接口电路也可以 是大规模的。不予采用。 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 许程序存储区在系统可编程,亦适于 常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效地解决方案。 AT89C52 具有以下标准功能:8K 字节Flash,256 字节RAM,32 口线 位定时器/计数器,一个6 向量2 级中断结构,全双 工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89C52 可降至0HZ 静态逻辑操作,支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、 中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作 停止。直到下一个中断或硬件复位为止。综合上述内容的各种考虑,从功能上选择此设 计将采用AT89C52。 11 2.3.2 AT89C52 的主要性能 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(大于1000 次)Flash ROM; 32个双向I/O 256*8bit内部RAM; 个16位可编程定时/计数器中断; 个串行中断,可编程UART串行通道; 个外部中断源,共8个中断源; 个读写中断口线级加密位; 有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC 等几种封装形式,以适应不同产品的需求。 2.3.3 AT89C52 的引脚结构及说明 AT89C52 的引脚图如图2.2 所示,下面是各主要引脚功能的说明。 图2.2 AT89C52 引脚图 12 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL 逻辑门电路,对端口P0 写“1”时,可作为高 阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线 位)和数据 总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。 在Flash 编程时,P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时, 要求外接上拉电阻。 P1口是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O P1的输出缓冲级可驱动(吸收或 输出电流)4 个TTL 逻辑 门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电 平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号 拉低时会输出一个电流(IIL)。 与AT89C51 不同之处是,P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入 (P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。 Flash 编程和程序校验期间,P1 接收低8 位地址。 P2口是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口,P2 的输出缓冲级可驱动(吸收 或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到 高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部 信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR 指令)时,P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器(如执行MOVX @RI 指令)时,P2 口输出P2 锁存器的内容。 Flash 编程或校验时,P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 P3口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收 或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可 作为输入端口。此时,被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流(IIL)。 13 P3 口除了作为一般的I/O 口线外,更重要的用途是它的第二功能,P3 口还接收一 些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST复位输入。当振荡器工作时,RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存 地址的低8 位字节。一般情况下,ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号, 因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳 过一个ALE 脉冲。 对Flash 存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的D0 位置位,可禁 止ALE 操作。该位置位后,只有一条MOVX 和MOVC 指令才能将ALE 激活。此外, 该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE 禁止位无效。

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