酒后駕駛無線報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　隨著汽車的普及，酒后駕駛的危害日益突出。為有效控制酒后交通事故的發(fā)生，公安交管方面使用便攜式酒精檢測儀對汽車駕駛員酒后駕車做出快速檢查，測量結(jié)果可以作為客觀評判標(biāo)準(zhǔn)。然而這些工作主要用于交通事故發(fā)生后的公正執(zhí)法，很難做到防患于未然。本課題把傳統(tǒng)的酒精檢測技術(shù)與移動通信技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計實現(xiàn)了無線預(yù)警系統(tǒng)，使車主與乘客在第一時間知道司機是否酒后駕駛，為高效杜絕交通事故提供技術(shù)保證。
1 檢測原理
　檢測氣體中酒精含量的傳感器有燃料電池型(電化學(xué))、半導(dǎo)體型、紅外線型、氣體色譜分析型、比色型等五種基本類型?？紤]到價格和使用方便與否等因素，目前普遍使用燃料電池型(電化學(xué)型)和半導(dǎo)體型傳感器。使用這兩種傳感器可以制造成便攜式呼氣酒精測試儀，適合于現(xiàn)場檢測[1]。
　半導(dǎo)體型傳感器以氧化錫作為半導(dǎo)體，當(dāng)接觸的氣體中的敏感氣體濃度增加時，它對外呈現(xiàn)的電阻值就降低。在不同的工作溫度下，這種半導(dǎo)體對不同的氣體敏感程度是不同的，為了使傳感器對酒精具有最高的敏感度，在半導(dǎo)體型呼氣酒精測試儀中采用加熱元件，把傳感器加熱到所需的溫度。
檢測原理圖如圖1所示，采用對乙醇?xì)怏w靈敏度較高，且對其他氣體具有較高分辨率的WS-2型乙醇?xì)饷舭雽?dǎo)體傳感器，其響應(yīng)時間小于10 s，恢復(fù)時間小于30 s，電導(dǎo)變化大?？紤]到汽車內(nèi)提供的直流電壓[2]多為12 V/14 V，輸入電壓采用12 V，并用LED來指示電源的接通情況。LM7805輸出的5 V電壓作為傳感器的加熱電壓，并為后邊芯片提供驅(qū)動電壓。傳感器的負(fù)載電阻RP1選用0.5 kΩ-5 kΩ的可調(diào)電阻，以達(dá)到最佳效果。

2 系統(tǒng)設(shè)計
　當(dāng)接觸到司乘人員的呼氣中有乙醇分子時，酒精傳感器的輸出電壓將發(fā)生變化，完成“氣”→“電”信號的轉(zhuǎn)換。
　傳感器的輸出電壓經(jīng)過比較電路被判定為三級，分別對應(yīng)“沒有飲酒”、“微量飲酒”、“過量飲酒”。微量飲酒即為酒后(駕駛)標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)血液酒精濃度為0.2 mg/ml，換算成呼氣濃度為44 ppm；過量飲酒即為醉酒(駕駛)標(biāo)準(zhǔn)[3]，對應(yīng)血液酒精濃度為0.8 mg/ml，換算成呼氣濃度則為176 ppm，此時比較電路的輸出控制開關(guān)電路驅(qū)動語音芯片報警；傳感器的輸出電壓經(jīng)放大后加至方波發(fā)生電路，當(dāng)檢測到酒精時，電路就會驅(qū)動發(fā)光二極管來控制手機自動撥號，使遠(yuǎn)方的車主可以通過公網(wǎng)接收到現(xiàn)場的語音報警信號，使乘客與車主同時對駕駛員的醉酒情況實施監(jiān)督，系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.1 比較電路設(shè)計
　比較電路如圖3所示，選用LM339芯片的三個單限比較器對傳感器輸出信號分三個電壓限來比較判斷。輸入信號Uin加到比較器的同相輸入端，在反相輸入端接相應(yīng)的閾值電壓Ur，當(dāng)輸入電壓大于閾值電壓時，輸出為高電平UOH。每個電壓比較器的閾值電壓可通過調(diào)節(jié)電位器設(shè)置。

2.2 語音報警電路設(shè)計
　用比較器輸出S2和S3通過CD4052來控制語音芯片APR9600的通道M1和M2的開、關(guān)，控制語音芯片報警發(fā)聲，電路原理如圖4所示。錄入的第一段報警語句是：“司機朋友，您喝酒了，請您謹(jǐn)慎駕車！”第二段是：“司機朋友，您飲酒過量，請您不要開車！”

　采用小功率音頻信號放大器LM386放大報警語音獲得了清晰適度的語音信號。
2.3 手機自動撥號電路設(shè)計
　經(jīng)過測試，傳感器檢測到酒精且達(dá)到S2級酒后標(biāo)準(zhǔn)時輸出電壓為1.7 V，酒精濃度達(dá)到所設(shè)計的S3級醉酒標(biāo)準(zhǔn)時輸出電壓為3.9 V，而沒有酒精時輸出電壓不超過0.39 V。所以傳感器的輸出電壓經(jīng)過LM358放大三倍后，作為NE555的工作電壓，能夠保證在檢測到酒精時，NE555能可靠工作且不至損壞。手機撥號電路如圖5所示。

　當(dāng)NE555輸出的矩形波低電平到來時，發(fā)光二極管熄滅，手機發(fā)射鍵上的行線和列線上的光敏電阻阻值為90 kΩ左右，手機發(fā)射鍵斷開。當(dāng)矩形波高電平到來時，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏電阻阻值變?yōu)?00 Ω左右，手機發(fā)射鍵被接通。當(dāng)發(fā)光二極管閃光兩次之后，相當(dāng)于手機被連按兩次發(fā)射鍵，預(yù)先存儲的車主電話被打通，車主接通電話就可聽到清晰適度的預(yù)警語音。
3 測試結(jié)果及分析
3.1 傳感器模塊測試數(shù)據(jù)及分析
　輸入電壓為12 V時，根據(jù)驅(qū)動電路的需要，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻為2 kΩ可以達(dá)到最佳工作狀態(tài)，使傳感器達(dá)到最靈敏的加熱時間為5 min。對輸出電壓信號進(jìn)行測試，各級輸出電壓為S1：0.39 V，S2：1.7 V，S3：3.9 V。經(jīng)分析測試結(jié)果可知，電壓信號正常。如果汽車電池電壓過低，可以適當(dāng)調(diào)高負(fù)載電阻以保證三級對應(yīng)的輸出電壓保持穩(wěn)定。
3.2 閾值電壓的測試結(jié)果及分析
　三級閾值電壓應(yīng)分別低于傳感模塊的輸出電壓，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以確保預(yù)警的可靠性。綜合考慮傳感器本身的特性參數(shù)，以及對空氣和溫度的要求，對電路中的3個10 kΩ電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)反復(fù)測試與分析，S1級的閾值電壓為0.20 V，S2級的閾值電壓為1.0 V，S3級的閾值電壓為2.9 V，符合實驗標(biāo)準(zhǔn)。
3.3 語音功率放大電路的測試與分析
　在LM386的1腳與8腳接電容、電阻以調(diào)節(jié)電路的閉環(huán)電壓增益。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，當(dāng)電容取值為10 μF、電阻值為1.2 kΩ時，電壓放大倍數(shù)達(dá)到34 dB，可以得到清晰適度的語音報警。適當(dāng)調(diào)小電阻值，可提高放大倍數(shù)。
3.4 NE555矩形波信號的測試與分析
　采用NE555來產(chǎn)生周期性脈沖，發(fā)光二極管的發(fā)光周期不宜超過2 s，否則將會使系統(tǒng)不能驅(qū)動手機撥號呼叫功能而影響遠(yuǎn)程報警。實際設(shè)計的方波周期T為1.148 s，實際運行良好。
　實驗顯示，采用基于現(xiàn)有公網(wǎng)的無線通信方式，可大大提高報警系統(tǒng)的通信可靠程度，而且通信距離不受限制，從而實現(xiàn)車主對汽車的遠(yuǎn)距離實時監(jiān)控。由于車主為法定責(zé)任人，車主對駕駛員的控制力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于乘客，這樣的配置可以幫助車主從源頭上杜絕酒后駕駛。整個系統(tǒng)采用汽車電源供電，主要費用為移動卡的月租費，用手機作為發(fā)射機省去了很多軟硬件費用[4-5]。實驗采用了普通手機，三種公用網(wǎng)絡(luò)(電信、移動、聯(lián)通)都收到了預(yù)期的預(yù)警語音(或短消息)。通過適當(dāng)改造，系統(tǒng)還可用于車主對汽車防盜的要求，也可用于無人值守的倉庫防護(hù)、樓門禁入等場合。系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的公用通信資源，大大降低了成本，因而具有較好的推廣價值。
參考文獻(xiàn)
[1] 林吉申，黃文風(fēng)，武建珊.手持式乙醇測試儀的研制[J]. 傳感器技術(shù)，2000(2)：45-47.
[2] 秦云.汽車電子新技術(shù)綜述[J].輕型汽車技術(shù)，2008，221-222(1/2)：38-41.
[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：GB19522—2004，車輛駕駛?cè)藛T血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗[S].
[4] 馬勝前.遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33(9)：93-96.
[5] 呂芳，胡林靜，臧琛.基于TC35 GSM的汽車防盜報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計[C].第三屆全國嵌入式技術(shù)和信息處理聯(lián)合學(xué)術(shù)會議，2009：125-127.