防醉驾汽车电子锁设计定稿
JISHOU UNIVERSITY 本科生毕业论文题目：防醉驾汽车电子锁设计
作者：葛权
学号：20114053015
所属学院：物理与机电工程学院
专业年级：2011级电子信息科学与技术
指导教师：王小云职称：教授完成时间：2015年5月20日
吉首大学教务处制
防止醉驾汽车电子锁设计
葛权
（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000）
摘要
由于醉酒驾车给各国都带来了非常大的危害,所以设计一种智能控制系统防止醉酒驾车。该系统主要由酒精传感器、电压比较器、继电器、语音报警模块、电源组成，主要将检测到驾驶员饮酒后人体酒精浓度的大小以电压信号输出，再通过电压比较器的比较后决定输出高电压还是低电压，然后在将信号输送到继电器控制电路，当驾驶员酒精浓度超标时继电器控制点火系统启动电路不能工作，汽车停驶，同时语音系统实现报警功能。
关键词：汽车；酒后驾车；点火系统；语音报警系统
Design of Car Electronic Lock to Prevent Drunk Driving
Ge Quan
（College of Physics, Mechanical and Electrical Engineering, Jishou University, Jishou Hunan
416000）
Abstract
As drunk driving has brought great harm to all countries, it is necessary to design an intelligent control system to prevent drunk driving. This system is mainly composed of the ethanol sensor, voltage comparator, relay, voice alarm module, and power supply. The system output this information through the voltage signal by detecting alcohol concentration of driver, and then determines the output is high voltage or low voltage through the comparison of the voltage comparator. The signals are transmitted to the relay control circuit, so when the alcohol concentration of the driver exceeds the standard, the start-up circuit of the relay control ignition system cannot work. The automobile will stop moving, at the same time, the speech circuit will performs the alarm function.
Key words: automobile；drunk driving；The ignition system；the voice system；
目录
第一章绪论 (1)
1.1选题的背景及意义 (1)
1.1.1 选题的背景 (1)
1.1.2选题的意义 (1)
1.2 国内最新研究现状及发展前景 (1)
1.2.1国内研究现状 (1)
1.2.2 发展前景 (1)
1.2.3酒精检测仪 (2)
1.3设计内容 (2)
1.4设计方法 (3)
1.4.1 电路图设计及PCB生成 (3)
1.4.2仿真分析法 (3)
第二章防酒后驾车方案的选择 (4)
2.1 防醉酒驾车两种控制方式 (4)
2.2 方案选择 (5)
2.3 设计框图 (5)
第三章防醉驾电子电路设计 (6)
3.1 USB电源设计 (6)
3.1.1酒精度传感器检测方式的选择 (6)
3.1.1.1湿化学法 (6)
3.1.1.3电化学方法 (6)
3.1.1.4红外光谱法 (6)
3.1.2 酒精测试仪型号的选择 (7)
3.2电压比较器 (8)
3.3.继电器控制电路 (9)
3.4 点火系统开关启动电路部分设计 (10)
3.5 语音电路设计 (10)
3.6防醉驾系统 (11)
3.7 电路仿真 (12)
3.7.2继电器控制电路仿真 (15)
3.8总结 (18)
参考文献 (19)
第一章绪论
1.1选题的背景及意义
1.1.1 选题的背景
2010年8月，十一届全国人大常委会第十六次会议将首次审议刑法修正案（八）草案，醉酒驾驶或被判刑[1]。在2012的新的《刑法》规定，醉酒驾驶处罚第一百三十三条介绍，对在道路上追逐竟驶，情节恶劣的,处拘役，扣留驾驶机动车，并罚款。新规定将于2013年1月1日在全国统一实施,从新条例中明确惩罚家中，只要触碰到几条高压线，12分就一下子被扣光。
1.1.2选题的意义
我国交通部的统计数据表明,近年来我国因驾驶员酒后驾车所导致的交通事故平均每年有25万余起,造成约5万人死亡,直接经济损失近13亿元[2]。2010年世界卫生组织的事故调查报告显示，有50%-60%的交通事故是和酒后驾驶有关的。可以看出酒后驾车是交通事故发生的首要原因。所以酒后驾车，特别是醉酒驾车对道路交通安全的影响非常严重。那么我们就必须研究一个防止醉酒驾车的装置。这可以避免司机醉酒后驾车引起交通事故，让人们的生活更加美好，和谐。
1.2 国内最新研究现状及发展前景
1.2.1国内研究现状
我国在这方面的研究比较少，香港一家公司发明了一种名为 i—KEY 的车钥匙，可以有效而方便地避免醉酒驾驶产生的交通事故。这种钥匙里面含有感应器、远程信息处理等等，在外面看来，它只是比车钥匙多了一条锁棒而已。在使用之前，司机必须先按锁棒上的开关，待上面绿灯亮了，在对着锁棒吹气两秒钟[3]。如果呼入锁棒气体中酒精含量少于规定值时，它会立刻开锁，棒锁收起来，这样车钥匙就能成功的插入钥匙孔，启动发动机。否则，车钥匙会亮起红灯，锁棒就不能收起来，车子也就不能成功的启动。
1.2.2 发展前景
基于国内的现状，这样能实现自我防御，和自我保护的装置拥有非常宽广的市场及应用前景。政府也必定会在财力和技术方面给予一定的支持，各个汽车制造厂
也会对这种技术有非常大的期待，然后与之合作。这样一种装置能否在最后应用到汽车上，达到普及，这需要我们不断的研究，不断的尝试和努力，让其符合人们的需要。
1.2.3酒精检测仪
研究表明，酒精不仅会降低驾驶员的反应能力和视线，而且还会让驾驶员的判断能力出现错误。现在有许多检测人体内酒精浓度的检测工具，所以我们有很多种检测方法主要有人体血液取样检测，汗液取样检测，呼气酒精含量检测。不同的场合我们的检测方法也会不同，平时在道路上交通部门人员检测过往车辆驾驶员是否有酒后驾车时通过呼气式的检测仪。它是让驾驶员对着检测仪呼气，然后那个呼气式检测仪就会显示一个酒精浓度的数据。与标准的酒精浓度对比下，就知道驾驶员有没有醉酒驾车了。呼气式的检测方法比血液、汗液取样检测更加的简捷，方便，但是在检测的准确度上会稍有逊色[4]。
为了让醉酒驾车造成的事故更少，各国都在加紧研究更好的防止醉驾的装置。一个好的防酒驾装置要实现两个方面的作用，第一能精确的检测出驾驶员是否醉驾，第二能关闭发动机，让驾驶员无法启动汽车，从而减少交通事故。国内外发明的防醉酒驾车检测的装置主要有酒精呼气检测仪，皮肤接触式酒精探测器，远程酒精探测仪，利用嗅探器检测驾驶室气体的酒精含量；手持式非接触酒精检测器；激光测量酒精装置，检测的是汽车内乙醇蒸汽含量；汗液酒精检测装置，是通过人体的汗液进行检测。
1.3设计内容
通过酒精检测仪检测驾驶员酒精浓度，输出相应的信号给电压比较器，电压比较器再输出相对应的高低信号给继电器和语音报警系统。继电器连接发动机的启动电路，通过电磁铁的通断电来实现对发动机线路通断的控制。
具体的细节操作：根据系统的需要以及现实生活中的便宜，我们选用选MQ--3型气敏传感器来检测驾驶员呼出的气体；了解电压比较器的功能原理；继电器控制电路的设计，以及继电器控制电路和点火系统启动部分的连接；学习proteus，绘制防酒后驾车系统电路图，制作PCB[5]。
1.4设计方法
1.4.1 电路图设计及PCB生成
用proteus画出电路图，并在其中选出电路需要的元器件，根据设计需要绘制防酒后驾车设计的电路图，通过该电路图生成PCB图。
1.4.2仿真分析法
用proteus软件对电路进行仿真，找出其中的缺陷以及不足地方，再进行一定的修改。通过仿真确定该设计电路能不能实现酒后驾车控制原理。
第二章防醉酒驾车方案的选择
2.1 防醉酒驾车两种控制方式
单片机控制点火系统：这个系统主要是通过酒精传感器、转换器、单片机控制系统、继电器、电机等组成。工作原理是通过酒精传感器检测驾驶员呼出气体的酒精浓度，然后传感器的信号经过A/D转换后输入到单片机中去，然后单片机根据逻辑判断处理，根据驾驶员体内酒精浓度和标定值比较来控制继电器的动作，进而控制汽车启动电机的工作。如果酒精浓度超过正常值，那么电机就无法启动，这样就防止里驾驶员在酒后驾车。单片机里事先写好了需要的程序，让其在输入特定值时就阻止发动机的启动。
图2.1 单片机控制点火系统
传感器控制汽车供油系统：汽车在发动开始走之前是需要供油系统供油的。而防醉酒驾车系统通过传感器让汽车的供油系统没法供油，从而控制汽车的开启[6]。这个系统有酒精检测仪、继电器、供油系统组成。首先由酒精传感器检测驾驶员呼出的酒精，然后将信号传输到继电器中，如果检测的酒精浓度超过了正常值，那么继电器就切断车子的供油。让其不供油，那么车子自然启动不了，从而达到控制酒后驾车的目的。
图2.2 传感器控制汽车供油系统
2.2 方案选择
和上面两种酒后驾车控制系统相比，本设计着眼于让防醉酒驾车系统安装在汽车已有的电路中.能让汽车电路只做很小改动的情况下，就实现防醉酒驾车的功能。
2.3 设计框图
图2.3 本次设计框图
第三章防醉驾电子电路设计
3.1 USB电源设计
图3.1 USB电源设计
这个USB电源是为整个酒后驾车系统提供电量的，VCC是5V电源，D+是电路线端口无限延伸，D—是无限缩短的电路线端口，GND是接地端，S1控制电源的通断，当S1断开时，整个防酒后驾车系统就停止工作。
3.1.1酒精度传感器检测方式的选择
因为抽血化验，便液检测很繁琐，不够方便，需要的条件多，结果显示不够迅速，所以我们在选择检测驾驶员驾驶汽车时酒精浓度就不能用这两种检测方式。而呼气式酒精检测仪相对其他方式直接，简便而且可靠，能把检测的结果迅速的通过信号传送给下面的电路系统[7]。
3.1.1.1湿化学法
湿化学方法的定义是有液体参加的，通过化学反应来制备材料的方法。这一方法在很久以前就开始应用了。检测的方法是用酸性高锰酸钾溶液氧化酒精蒸汽，再根据溶液的褪色的时间检测酒精浓度，现在这个方法仍然是世界上很多国家的检测工具。
3.1.1.2气相色谱法
酒精被汽化后，跟着载气进入色谱柱，利用他们在柱内不同的迁移速度，最后得到分离。分离后就进入氢火焰离子化检测器，再通过和色谱图上的标准进行对比，得到其法定值。
3.1.1.3电化学方法
电化学方法是通过驾驶员呼出气体中酒精被催化氧化后释放的能量，再将这个能量转换成电流变化，在从这个变化中看酒精浓度的高低的一种方法。这种测试仪的精确度较高，操作起来较简便，同时也兼具稳定性，在现实生活中应用较广泛。
3.1.1.4红外光谱法
红外线光谱法是根据红外线被酒精分子吸收的程度，来判断酒精的含量。现在科技越来越发达，这个方法也正被应用到社会中去[8]。
3.1.2 酒精测试仪型号的选择
考虑到方便和经济方面的问题，酒后驾车设计中的酒精检测器材用MQ—3型酒精传感器，来判断驾驶员是否有酒后驾车。
MQ-3气体传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性（能排除汽油、烟雾、水蒸气的干扰），同时他具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，它的驱回电路也比较简单。这样它很好的具备了成为一款优秀的车载酒精检测仪所需要的条件。这个传感器可以检测不同浓度的酒精，是一种适合多种应用的低成本的传感器。它对不同浓度的酒精会有不同的电阻值。1端是提供5V电压的电源，2端接地，3端通过酒精传感器测试的结果以模拟的信号输出。
图3.2 酒精传感器
MQ3输出信号同酒精浓度为近似的线性关系，如图3.3所示。
图3.3 酒精浓度同输出电压的近似关系图
表3.1 MQ3传感器参数表
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
V
H
加热电压 5.0V±0.2V AC or DC
R
L
负载电阻可调
R
H
加热电阻31Ω±3Ω室温
P
H
加热功耗≤900mW
B.灵敏特性
符号参数名称技术参数备注
Rs 敏感体电阻1MΩ- 8 MΩ
(200ppm alcohol ) 适用范围：10-1000ppm Alcohol
α
（200/100）alcohol 浓度斜率≤0.6 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 3.2电压比较器
图3.4 电压比较器
电压比较器输入是线性量，输出是开关量。它通过将输入的电压与特定的电压值进行比较，再通过比较的结果来判断输出高电压还是输出低电压。电压比较器在许多场合都有应用（自动控制、波形产生与变换、模数转换）。
在防醉酒驾车系统中，电压比较器起到一个非常关键的作用，它通过将酒精传感器输出的模拟信号与一个参考固定电压对比，当输入端大于参考电压时，电压比较器输出一端会输出低电压，对D1，D2截止；反之，电压比较器输出低电压。
3.3.继电器控制电路
图3.5 继电器控制电路
该电路中继电器的使用型号：HK4100F —DC5V—SHG；触点负载： 3A 220V AC/30V DC；阻抗：≤100mΩ；这种继电器由控制线圈、触电簧片组成，他们彼此之间相互绝缘，当在线圈两头加上额定的电压时，线圈中就有电流通过，由电磁效应，就产生了磁性，从而吸住触电簧片使发电机点火电路断路[9]。这种继电器价格适宜，耐用不会轻易损坏，转换的效率也比较高，所以适合我们的电路。1端口接点火总开关，5端口接点火线圈。1、5为继电器常闭端，2、6为继电器常开端。
这个电路是由三极管基极的高低电压来控制电路的通断，当是高电压时，继电器工作，线圈通电，常开触点闭合，即2、6端闭合，1、5断开。3端输入的信号通过4端接地。发动机电路断开，汽车无法启动。反之输入低电压时，电路截止，发动机正常运行。继电器中的线圈是有电阻的，在驱动它的时候需要较大的电压，所以把继电器当成负载直接接在集电极上。同时可以在继电器电路中加入一个发光二极管来判断继电器是断开还是吸合的。我们也在继电器线圈上并联一个二极管，这是为了防止晶体管被击穿。
3.4 点火系统开关启动电路部分设计
图3.6 点火系统
SW_C1是点火开关，蓄电池为汽车点火提供电力，它一端接电火线圈，另一端接在继电器上。如果继电器不工作，那么汽车能实现正常的打火。
3.5 语音电路设计
图3.7 语音系统
三极管的基极输入端接电压比较器的输出端，如果电压比较器输出高电压，那么语音报警系统工作，实现报警。如果输出低电压，那么三极管截止，语音系统不工作。这个语音芯片是高端驱动芯片，有自我保护的功能，非常适合本次设计[11]。三极管的型号是8550。
3.6防醉驾系统
图3.8 防醉驾系统
本系统有两种工作的状态：其中一种是当酒精检测器检测驾驶员呼出气体浓度低于80mg/ml时，酒精传感器3端会将低信号输入到电压比较器输入端的正极。电压比较器参考的额定电压时5V。电压比较器将这两个电压进行比较，因为输入电压低于参考额定电压，于是电压比较器输出一个低电压，一方面，电流流向继电器，Q3基极端输入一个低电压，由三极管的极性电压通断判断，基极电压时低于射极电压的，所以Q3的发射极极点电路截止，继电器也就不工作，从而线圈不通电，1、5常闭端闭合，发动机正常启动。另一方面，这个低电压输向语音报警系统，Q2基极输入端输入一个低电压，所以也是截止的，语音报警系统不工作[11]。
另一种是当酒精检测器检测驾驶员呼出气体浓度大于80mg/ml时，酒精传感器会3端会将一个高电压输入到电压比较器输入端的正极。在让它和参考的额定电压比较[12]。电压比较器输出一个高电压，当Q3基极端输入一个高电压时，继电器导通，线圈导电，产生磁性，1、5常闭端断开，从而发动机无法实现打火启动。同时，Q2端也输入一个高电压，Q2到导通，报警系统工作，发出报警信号。
在整个控制系统中，电源供电都由USB供电，通过开关S1控制整个电路的电源通断。
3.7 电路仿真
本次电路仿真使用proteus，其具有以下优点：①其可提供的大量的仿真元器件资源：包括仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有大概30个元件库。②Proteus可提供的仿真仪表资源：信号发生器、逻辑分析仪、模式发生器、SPI调试器、示波器、交直流电压表、交直流电流表、虚拟终端等。③除了现实存在的仪器外，Proteus还可以提供一个图形显示的功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，功能十分丰富，其作用与示波器相似。这些虚拟仪器仪表具有准确的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这样尽可能减少了仪器对测量结果产生的影响[6]。
在利用proteus仿真过程中该软件没有MQ—3敏传感器，所以用光敏传感器代替，而在最后蓄电池到点火线圈电路该软件没有模块原件，也用电压表代替[13]。
3.7.1传感器到电压比较器部分电路仿真
仿真时调节光敏传感器的电压大小，电压比较器输出端电压也随着光敏传感器电压的大小变化。
表3.2 电阻值与电压比较器输出电压的关系
电阻R4 R2 RV1 R3 输出电压
电阻阻值22K 2K 10K*60% 10K 5V
R4、R2、RV1、R3在表3.2时的数值时，仿真中光敏传感器在该位置时输出电压为高电压。
图3.9 滑动变阻器调到60%时的电路图
表3.3 电阻与输出电压关系表2
电阻R4 R2 RV1 R3 输出电压
电阻阻值22K 2K 10K*78% 10K 0.05V 当改变滑动变阻器RV1的阻值为表3.3数值时，电压比较器输出端输出电压为低电压。
图3.10 滑动变阻器调到78%时的电路图
表3.4 电阻值与输出电压的关系
电阻R4 R2 RV1 R3 输出电压电阻阻值20K 2K 10K*60% 10K 0.05V
R4电阻值减小时，输出电压为低电压0.05V，如图3.11
图3.11 R4变成20K时的电路图
3.7.2继电器控制电路仿真
当输入信号加一个高电压时，输出电压仍为高电压，继电器常闭触点断开，常
开触点闭合，仿真图如3.12所示。
防止醉驾汽车电子锁设计电子电路设计
图3.12 输入信号为高电压的电路仿真图
当输入信号加入一个低电压时，输出电压仍为低电压，继电器常闭触点仍然闭合，仿真图如3.13所示。