一款基于单片机的防酒驾设计——“嫑酒驾”

任琦，冯凯声，朱晓骏

（安徽三联学院，安徽合肥，230601）

0 引言

随着社会科技发展，越来越多的家庭企业开始使用汽车作为代步运输的交通工具，随之而来的也是越来越多的交通事故，酒后驾车是造成事故的重要因素之一，为了有效预防醉酒驾驶，我们研究设计了一款单片机与车钥匙相结合的设备，通过禁止使用车钥匙的方式从源头上解决了驾驶人饮酒驾车的风险，确保了行车安全，其特色在于轻快小巧，造价成本低，安装简便，且出故障不会对车辆造成任何损伤。可以直接在任何汽车售后点进行更新和维修[1]，防水防尘，检测时间快，结果误差小，是一款真正满足日常方便使用的装置。

1 “嫑酒驾”的设计

■1.1 “嫑酒驾”酒精检测的设计思路及分析

“嫑酒驾”使用时第一步需要对使用者进行身份验证，这个步骤既可以保护车辆安全，减少车辆被盗用的风险，也可以解决“嫑酒驾”使用过程中的人为漏洞，例如一位喝完酒即将使用嫑酒驾的人员，让同行的未喝酒的人员来使用“嫑酒驾”，当成功启动车辆后，却自己进行车辆的控制驾驶。“嫑酒驾”在确认了使用者的身份之后，会对其进行一系列的评估，以确定其是否属于汽车驾驶员。若第一种评估未获得通过，则需要重新开始第二步的评估，即对其进行酒精含量的检测。目前，可以采取的酒精检测技术包括：通过高锰酸钾溶液对汽油的抗氧化，以及通过气相进行流动相的色谱技术，以及通过呼出的汽油在催化剂的作用下，转变为乙醇和水的技术，以及通过汽油的挥发性物质，以及汽油的燃烧性物质的技术。研究发现，将化学物质转变为电势，并以此计算其输入的电压，可以进行准确的测试；此外，使用氧化锡半导体来作为感应器，可以检测其中的物质浓度；而对于酒后的红外线，可以根据其吸收的波长，以及酒精分子的吸收情况，进行准确的测试；然而，由于某些测试技术的高昂、难以携带、复杂、不可靠、耗费大量的资源，因此，我们最终决定使用半导体酒精传感器，以此更加准确地测试酒精的浓度。这种产品具有极强的酒精检测能力，具有较长的使用寿命，并且具有较低的生产和维护费用，且其结构紧凑。便于携带，对其他气体有抗干扰性，稳定快等等，完成酒精检测后，“嫑酒驾”需要判断使用者酒精含量是否属于安全驾驶范围之内，判断有2 种结果，第一种判断成功，“嫑酒驾”通过机械装置弹出车辆钥匙，使用者成功开启车辆，第二种判断不成功，使用者无法使用车辆钥匙，无法启动车辆，且“嫑酒驾”会发出警示[2]，以提醒驾驶者注意安全，切勿酒后驾车。

■1.2 “嫑酒驾”的工作过程

当车辆驾驶人员使用“嫑酒驾”启动车辆之前，为确保即将使用车辆的人员为驾驶者，首先需要对 “嫑酒驾”进行指纹识别验证，如若指纹验证成功，则 “嫑酒驾”继续进行下一步的酒精含量检测，如若检测出的酒精含量处安全驾驶的范围之内，“嫑酒驾”将通过电机机械装置缓慢伸出车辆钥匙，车辆使用人员可正常启动车辆，如若检测出的酒精含量不属于安全驾驶的范围之内，那么“嫑酒驾”将发出警报以提醒车辆使用人员切勿酒后驾车，且无法使用车辆钥匙，无法成功启动车辆，确保了驾驶人员的生命财产安全。

2 “嫑酒驾”的开发

■2.1 开发

Keil μVision4 是一款强大而又易用的单片机开发环境软件，它具有编辑、编译、仿真等多种操作功能，还提供了丰富的库管理、宏定义、宏汇编、C 语言编译器、连接器和仿真调试器，使得开发过程变得更加便捷，而且可以在一个统一的环境中将所有功能集成，此外，keil μvision4 还能够完美支持最新的ARM 芯片，并且还引入了灵活的窗口管理系统，使得开发过程更加高效、更加便捷。软件界面简洁明了，按照顺序排列，功能清晰易懂，使用起来十分便捷。

■2.2 驱动

CH340 驱动实际概况是一个USВ 总线的转接芯片，能够实现多种端口的转换，可以有效地仿真标准串口，也可以利用这种驱动对串口进行相应的操作，来实现很大一部分本来的串口应用程序没有安全兼容的功能

■2.3 烧录

STC-ICP 是一款强大而卓越的STC 系列单片机烧录软件工具箱，它可以为STC 系列单片机提供完善的程序下载功能，充分发挥C51 技术的优势，同时也能够更加准确地反映STC 15 单片机的核心特性，拥有丰富的片外扩展应用和片内资源，使得用户能够轻松掌握烧录技术，从而提高烧录效率和质量。

3 嫑酒驾的功能模块

■3.1 指纹识别模块

通过指纹识别模块，我们能够快速准确地获得个人身份的识别结果。该模块由三个方面构成：指纹识别收集、特点获取，以及特点对应。首先，我们需要将个人身份的识别结果记录并存储，以备日后查询。其次，我们需要将个人身份识别结果存储为一个文件，以供日后查阅。最后，我们需要根据个人身份识别结果，通过模块的识别功能，快速准确地获得个人身份的识别结果。在此，我们采用了一项新的技术，即在两个预先录制的指纹图像中，以及它们的特征值，进行对比检测。该技术既可以用于两个预先录制的图像的对比，又可以用于识别它们的差异。在此，我们使用com 串口向单片机发出相应的操作，一旦单片机被允许，就会立即处理指纹图像，然后根据处理结果转换为格式，以便更好地识别两个预先录制的图像。将经过处理的指纹图像发送至单片机，该单片机将根据预先设置的程序，实现大量的图像识别、图像处理以及图像处理与图像处理之间的对比，当发现图像中的图像为用户时，该单片机将立刻发出警报，并将其作为酒精检测的依据，以便及时发现并处理潜在的危险。

AS608 光学指纹模组的工作原理是利用光的反射和折射，将光照射到三棱镜上，使得光线在指纹表面产生因为指纹表面高低程度的不同而造成光线折射出来的不同角度，这样折射出的不同光线角度使CMOS 或者CCD 的光学仪器可以捕捉到不一样的指纹图像信息，从而实现指纹的准确采集。

图1 指纹识别逻辑图

图2 “嫑酒驾”原理图

■3.2 MQ-3 酒精传感器

MQ-3 型酒精传感器由一系列小型元件组成，包括氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层、检测引脚电极和温度加热器。敏感元件通常被固定在塑料或不锈钢制成的容器中，温度加热器则为其提供必要的温度环境，以保证其正常工作。通常，这些气体敏感元件总共有六个，可以用来检测酒精浓度。引脚用来进行输出，这6 个引脚当中有四个引脚的作用是信号的输出，另外两个引脚的作用是提供传感器加热温度所需要的电流，MQ-3 型酒精传感器在工作时，气体敏感传感器加热温度升高电压使用交流或者直流电5V 都可以，在气体敏感传感器受热之后，温度加热室环境内的可燃气体快速增多，气体敏感传感器的内部电阻快速下降，利用气体敏感传感器的这一特性然后结合分压原理我们可以得出输出电压会一点点地增大的结论，一旦输出电压的值超过阈值就会产生相关操作，经过一系列处理后的检测信号由电阻值转变成电压值，这样就可用于后续电路进行A/D 转换和处理，气体敏感传感器阻值变化率与酒精浓度，为了准确测量酒精浓度，外界温度变化是非常重要的，因此，为了达到最小的误差，我们需要找到一个合适的温度，一般来说，预热5 分钟，这样可以使半导体颗粒表面的吸附发生变化，从而影响材料载流子的浓度。此外，通过调节MQ3 酒精传感器的电导率，我们可以调整感应器的输出电压，从而达到最佳的测量效果。检测乙醇的含量。这些感应器具备较高的敏感度，并且具备集成电路简洁、操作方便、性能优越、稳定性良好的特性。它能够将气态物质的数据转换为电压信息，这是一个非常有效的技术。

3.3 A/D 数模转换

单片机运行运算的数据用的是高低电平（0/1 的组合），所以就没有可变化模拟量电压输出，这就涉及到了在外围电路需要加上一个模拟和数字量转换的模块，就是把输入的模拟信号转化为数字量且转化的数字量相对于模拟量的失真要小。因此可以将数字量比作一个个分区域的信息储存系统，模拟量在转换过程中应尽可能保留其中所包含的信息，以确保转换结果的准确性和完整性。转换的方式就是把数字量分为不同块，把它以数字的形式转换到数字量中。比如数字量有六位（000000-111111），那么我们就把模拟量平均分为64 份，A/D 转换可以将数据转换成与模拟量相匹配的信息，然而，这种方法仅仅是基础，实际的A/D 转换可以通过三个主要步骤：采样保留、编码以及量化实现。采样所表示的量一般是电压，通过在指定的采样保持时间内，将采集的电压以数值的形式表示，然后以特定的二进制编码格式将其转换，最终可以获取所需的信息。模拟量电压相对应的数字信号。

■3.4 STC89C51 单片机

51 单片机是一款可以把多种独立功能集合在一起的电路芯片，他是一种中央处理器CPU，可以使用在一个芯片上集合有1000 个以上的集成电路技术把能够很快就处理了的大量用户数据，随机存储器RAM、只读存储器ROM、各种I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括可以驱动显示的电路、PWM脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换模块等电路）集成到一块硅片上之后组成的一个小且完善的计算机系统。

■3.5 电机驱动装置

ULN2003A 电路具有一个7 路反向电路，它的输入端I/O 处的电平会随着时间的推移而变化，在高电平时，它的输出端会变得较高，而在低电平时，它的输出端会变得较高。此外，ULN2003A 的输出会产生一个电路，它的电路中的电路会产生一个电路，并且在电路中的电平会随着时间的推移而变化。这个电路能够驱动步进电机。

4 软件设计部分

当 “嫑酒驾”被使用时，嫑酒驾会获得指纹图像，判断接收到的确认码，等于0 时，指纹获取成功，然后在已有数据中搜索录入的指纹信息，当寻到了已录入的指纹信息，2种指纹信息进行对比是否是使用者的指纹信息，如果对比不通过则返回初始状态，无法进行下一步，通过了进行下一步的酒精检测，当检测到酒精的浓度超过设定值时，经过一段延时，以确保检测的酒精浓度确实超过了设定值，酒精检测不通过无法开锁，返回初始状态，酒精检测通过了，舵机解除锁定状态。

主程序如下：

图3 程序流程图

5 结束语

综上所述，嫑酒驾具有极大的发展前景和实际应用效益，如果加以深入研究和大力发展，使之能够被应用于酒驾预防工作中，根据其工作原理，可以有效减少因为酒驾醉驾造成的交通事故，为驾驶员的行车安全和生命健康财产提供一份保障。