基于Arduino的车辆防酒驾系统

2022-03-31贺焕利王宇峰章丽

湖北汽车工业学院学报 2022年1期

贺焕利，王宇峰，章丽

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰 442002）

WHO 最新道路安全报告显示，每年约135 万人在交通事故中死亡,其中约60%的交通事故是酒后驾驶造成的，且呈上升趋势。［1］究其原因，主要是驾驶员对酒驾危害意识淡薄或心存侥幸。［2］目前最常见的酒精浓度检测方式是呼气式酒精浓度检测，但只能在某些路段进行，无法全方位覆盖。文中基于Arduino 单片机研发了智能化车辆防酒驾系统，相比传统的酒驾呼吸分析仪，操作便捷，强调驾驶员的主动性意识，成本低廉。

1 整体方案

系统通过酒精浓度传感器MQ-3 检测驾驶员呼气中酒精浓度，与设定的阈值进行比较，进而作出相应判断。

阈值依据GB19522 设定，驾驶员血液酒精浓度小于20 mg·（100 mL）-1时属于“正常”，血液酒精浓度为20～80 mg·（100 mL）-1时属于“酒后驾车”，血液酒精浓度不小于80 mg·（100 mL）-1时属于“醉酒驾车”。人体血液酒精浓度与呼气酒精浓度近似呈线性关系：［3］

式中：BAC为人体血液酒精浓度；Br为呼气酒精浓度；K通常取2200。

如果测定数值大于相应阈值上限值，判断驾驶员是饮酒驾车或醉酒驾车，此时报警器报警、报警灯闪烁，并发出语音提示“请勿酒后驾车”，液晶显示屏显示酒精浓度的具体数值。总体方案流程见图1。

图1 整体方案流程图

2 硬件设计

2.1 关键硬件选型

1）单片机采用Arduino单片机，了解各端口的功能和C语言的基础知识编写相应程序。Arduino 是开源平台，在相关网站、论坛、博客等可搜索到需要的资料，提高作品创作的效率。相对于飞思卡尔等单片机，Arduino学习和创作成本低。

2）酒精传感器采用乙醇传感器MQ-3，相比电化学型和其他半导体型酒精传感器，MQ-3对酒精有较高的灵敏度，能承受汽油、烟雾和水汽的干扰，具有寿命长、成本低、驱动电路简单等特点。［4］

3）液晶显示器考虑功能特点及性价比，选择LCD 1602 液晶显示器。系统启动后，LCD1602模块显示“Alcohol Detector Circuit Digest”，表示系统正在初始化。LCD1602 实时显示空气中的酒精浓度，Br小于0.009 09 mg·L-1时显示“Normal”，同时蓝色LED 警示灯亮，表示驾驶员处于正常状态；Br小于0.036 36 mg·L-1但不小于0.009 09 mg·L-1时显示“Drunk”，同时黄色LED 警示灯亮，表示驾驶员处于酒驾状态；Br不小于0.036 36 mg·L-1时显示“Dangerous”，同时红色警示灯亮，表示驾驶员处于醉驾状态。

2.2 电路设计

1）液晶显示模块 1602LCD 有16 个引脚，可用4 位接线法和8 位接线法。系统采用Arduino UNO R3 的引脚数较少，因此选用4 位接线法［5］。1602 LCD与Arduino连接电路见图2a，1602 LCD的VO接入1个电位器，控制液晶显示屏的显示亮度。

2）酒精浓度采集模块酒精传感器检测电路由MQ-3、A/D转换器和电压比较电路组成，用于判断酒精浓度是否超过阈值。VCC 端提供5 V 工作电压；采用LM393 作为电压比较器，当AO 电压高于引脚2 电压时，引脚1 输出高电平，DO 输出低电平，LED灯亮；当AO电压低于引脚电压2时，引脚1输出低电平，DO输出高电平，LED不亮。酒精传感器电路如图2b所示。

3）语音报警模块当酒精传感器检测到Br超过阈值时，语音模块发出“为了您的出行安全，请勿酒后驾驶”的提醒；反之语音模块处于待机状态。系统采用的语音模块为ISD 1820，具有录放电路的基本特点，取样率和录放时间可外部调节，单段录放音操作简单，可重复录音1万次，能耗低，可自动进入节电模式，［6］突发断电时保存信息时间长，电路如图2c 所示。除语音报警和液晶显示外，检测到Br正常时，蓝色LED 灯亮；检测到Br在酒后驾驶范围内时，黄色LED 灯亮；检测到Br属于醉酒驾驶范围内，红色LED灯亮。LED接线如图2d所示。

4）复位电路当驾驶员需要重复进行酒精浓度检测时，按下复位键，此时系统会将酒精检测装置测量的数据调整到0刻度线，同时LCD液晶显示屏显示“0 mg·L-1”，20 s 后重新开始检测。复位电路如图2e所示。

3 软件设计

系统采用Arduino IDE 进行模块化编程设计。Arduino 集成开发环境即Arduino IDE，可将程序烧录到所连接的开发板上，与开发板进行信息通讯。Arduino IDE编写的代码以“.ino”格式保存，程序运行出现错误时，消息区将显示提示信息。软件界面右下角会显示当前选择的开发板和串口信息。Arduino IDE的主要特点是开源电路图设计，支持ISP在线烧录，支持多种交互程序，可方便与各种电子元件如传感器连接。

MQ-3 初始化完成后开始采集空气中酒精浓度数据，将采集到的信号传输到Arduino 中进行处理，计算得出酒精浓度并显示在LCD1602 显示屏上。酒精浓度采集流程如图3所示，主程序如下：

图3 酒精浓度采集流程图

4 功能测试及结果分析

车辆防酒驾系统实物如图4所示。测试时，使用USB端口给Arduino单片机供电，通电后等待20 s，待传感器的输出电压稳定后进行浓度测试。测试得到清洁空气中酒精含量为0.004 mg·L-1，对应串口监视器的输出电压为0.74 V。因此在设定阈值时应加上洁净空气中的酒精浓度，对采集的酒精浓度数据进行校准。根据已知数据进行计算，校准后阈值为0.013 09 mg·L-1和0.040 36 mg·L-1。