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摘 要：本设计是基于 52 单片机的电动汽车防止酒后驾车的系统,其中的基本功能有 ：酒精浓度检测、酒精浓度液晶显 示、无线传输、限制行车、报警等。本系统由 52 单片机控制运行,酒精浓度检测任务由 MQ-3 酒精传感器完成,酒精检测后 的浓度数值由 NRF24L01 无线芯片进行浓度数值的发送与接收,酒精浓度的数字信号转换成电压模拟信号的任务由 ADC0809 模块实现,浓度由 LCD 液晶屏显示,电动汽车模拟电机控制由 L298N 电机驱动进行驱动。当司机酒后想要行车时,系统会强 制限制其行车,并响起警报,有效的起到防酒驾功能,设计更加具有人性化。
关键词： 电动汽车,52 单片机,防酒驾,无线模块
Anti-drink Driving System of Electric Vehicle Based on MCU
WU Tingxin, KUANG Aihua
(Zhengzhou Electronic and Information Engineering School, Zhengzhou Henan 450018)
【Abstract】： This article aims to design a the electric vehicles based on 52 MCU system to prevent driving after drinking, the basic functions are: The detection of alcohol concentration, alcohol concentration, liquid crystal display, wireless transmission, alarm and other traffic restrictions. This system is composed of 52 MCU, the alcohol concentration detection task is completed by the MQ-3 alcohol sensor, the concentration of alcohol detection by numerical NRF24L01 wireless chip for sending and receiving concentration value, the analog voltage signal is realized by the ADC0809 task module converts the digital signals into the alcohol concentration, concentration by LCD display, motor controlled by the L298N motor driven electric vehicle simulation. When the driver wants to drive when drunk, the system will restrict his driving and alarm, effectively prevent drunk driving, and make the design more humanized.
【Key words】： the electric car;52 MCU;the drunken driving;wireless module
引言
近段时间以来,就电动汽车的酒后驾驶防治系统的 开发而言,国外很多国家已经将这件事提上了日程。早 在 21 世纪初,沃尔沃汽车公司就已经把一个防酒驾的 概念率先提了出来,这个概念名字叫做“酒精锁”,之 后又提出了一项防酒驾的技术,这项技术的名字是“酒 后驾驶闭锁”。虽然说在“酒后驾驶闭锁”这项防酒驾 技术中也存在着在技术方面的相关问题,但是,伴随电 动汽车行业的飞速成长,对这项防酒驾技术的需求还在 日益增加。于是一套拥有很快的测试速度、测试时不进 行身体接触、用户的切身体验反映好、高度集成化的防 酒驾系统就成了当今世界各国以及各个汽车行业的巨头共同研究的一个大方向 [1]。
随着我国电动汽车越来越多,国内关于电动汽车的 防酒驾系统的研究前几年就已经有学者在进行,但是, 就一款特定于一款 MCU 的电动汽车防酒驾系统仍然是 一个尚待深入开发的领域。而且,以往的电动汽车防酒 驾系统有酒精浓度测试方式非常的简单、不能一直进行 测试、电动汽车启动之后就失去了作用等的缺点。因此 在国内,一款基于特定 MCU 的电动汽车防酒驾系统自 然也就成为了大家竞相追捧的一项高深技术 [2]。
1 系统方案设计
本设计主要进行电动汽车防酒驾系统的硬件方面的 设计和软件方面的设计,软件方面的设计主要内容包括 ：A/D 模数转换程序、MQ-3 酒精浓度数据采集程序、 LCD1602 液晶显示驱动程序、无线模块 NRF24L01 无 线发送和接收驱动程序、电动汽车车轮旋转电机仿真驱 动程序、超标报警程序等。硬件方面的设计内容主要包 括 ：MCU 及其外部电路、酒精浓度值采集、无线发送 接收、电机驱动、报警电路等。
本设计的电动汽车防酒驾系统的控制中心是两片 STC89C52 单片机, 第一个控制中心的工作是接收传感 器检测出的酒精浓度值,处理并发送出去 ;第二个控制 中心的工作是利用无线模块对浓度值进行接收处理,控 制行车限制和报警。
2 硬件设计
2.1 最小系统的实现
本设计中的主控芯片为 STC89C52. 和 STC89C52= 共同构成最小系统的还有产生时钟脉冲的电路和晶振电 路,其具体电路图如图 1 所示。
2.1.1 时钟晶振电路
本系统采用的时钟晶振模式是外部模式。外部模式 包含的脉冲信号完全是从外部引进单片机里边的,这些 脉冲是在单片机外部由时钟晶振电路就已经产生好的。 外部模式在工作时通常为多个 52 单片机同时提供脉冲 信号,这样做的目的旨在使这些单片机能够同时工作, 因此外部模式所要求的脉冲高电平时间不能小于 20ns, 而且这些脉冲信号必须是方波,且频率低于 12MHz。 电容器 C1 的值为 22pF,电容器 C2 的值也为 22pF, 它们同时工作的目的是对脉冲频率进行微小调动,图 1 中的石英晶体 X1 的值为 12M。
2.1.2 复位电路
本设计中的防酒驾系统的复位方式使用的是人工复位方式,其电路包含电阻、电容、一个按钮开关,要想 使程序重新开始工作,只需要在程序正常运行时手动按 一下按钮开关即可。在电路中, C3 为 33uf, R1 为 10K。
2.2 酒精浓度数据采集设计
本系统的酒精浓度数据采集电路由酒精浓度传感器 MQ-3 及数字和模拟信号相互转换转化的模块 ADC0809 共同组成。LCD1602 上显示的是由 MQ-3 检测出来的 酒精浓度值, MQ-3 输出的是电压数值。这些输出的电 压数值是在 AD0809 与 STC89C52 单片机相互连接的 电路上处理的。并通过无线传输模块 NRE24L01 传输 到第二个 MCU 中进行数据处理,当检测出的数值比设 定的标准高时,报警电路工作,响起警报。
2.3 A/D 数模转换设计
本系统数模转换模块采用的是逐次逼近型的 ADC 0809 数模转换模块, ADC0809 数字信号和模拟信号转 换模块和单片机相连接时,其中 ADC0809 的 D0 ~ D7 端口和 STC89C52 单片机的 P3 口的 P3.0 ~ P3.7 相连接, CLOCK 时钟信号端和单片机的 P1.3 口直接相连, START 开始信号端和 ALE 端口相并联,然后整体接到单片机的 P1.2 口,EOC 端口和 STC89C52 单片机的 P1.1 口进行 连接, ADC0809 数模转换模块的 OE 片选使能端直接和 单片机的 P1.0 口直接相连。ADC0809 的 VREF(+) 和 VREF(-) 端口分别表示的是数模转换时的基准正电 压和基准负电压,为了使 ADC0809 数模转换模块的基 准正电压和基准负电压更加稳定, 本设计把 VREF(+) 端口直接和 +5V 电源相连接, VREF(-)直接和电源 地相互连接。其中 ADC0809 和 MCU 的接线电路如图 2 所示。
ADC0809 进行数字信号和模拟信号转换时有 8 个 通道可以选择,系统选择的通道是通道 3(IN3),为了选定通道 3(IN3), 设计中把 ADD-A 端口、ADD-B 端口分别接 +5V 电源, ADD-C 端口直接接地,构成了 011 的形式,因而直接选中了通道 3(IN3)。
2.4 LCD 液晶显示电路设计
在本设计中, LCD1602 液晶显示芯片的 VSS 端口 直接接地, VCC 端口直接接了 +5V 电源。LCD 液晶显 示芯片的使能信号端口 EN 口直接接到了 P2.7 端口, RW 读端口直接接到了 STC89C52 单片机的 P2.6 口上 了, RS 写端口在本设计中是接到了 STC89C52 单片机的 P1.7 端口了。LCD 液晶显示芯片的数据端口 DO ~ D7 端口通过上拉排阻接到了 STC89C52 单片机 P0 口。
2.5 无线数据传输模块
NRF24L01 无线通信芯片的 VCC 端口所需要的电压 必须在 1.9V 之上, 并且在 3.6V 之下, 如果 NRF24L01 无 线通信芯片 VCC 端口所接的电压超过 3.6V 时 NRF24L01 无线通信芯片将会被烧坏, NRF24L01 无线通信芯片的 操作和数据传输方式采用的串口传输方式,也就是 SPI 通信方式,因此和 NRF24L01 无线通信芯片相连接的 单品机最好有 SPI,如果和 NRF24L01 无线通信芯片相 连接的单片机没有 SPI,可以用单片机的一般端口模仿 SPI 方式进行通信对 NRF24L01 无线通信芯片进行操 作控制 [3]。本系统中的 52 单片机拥有 SPI 功能,因此, 和无线模块相连接、对无线模块进行操作和数据传输相 当的方便。
2.6 限制行车及报警设计
2.6.1 限制电路
本设计采用电机驱动 L298N 驱动电机来模拟电动汽 车行驶,其中通过编程使 L298N 输出 PWM 控制电机。 L298N 电机驱动的 IN1、IN2、IN3、IN4 电机控制端口 分别通过上拉电阻接在单片机 P0 的前 4 个输入 / 输出口 上, L298N 的正常工作电压需要 12V 左右,但是 52 单 片机的端口的输出电压只有 +5V 左右, 因此, 在本系统 中采用了升压模块进行升压操作,以达到 L298N 电机驱 动运行正常时的电压。
2.6.2 报警电路
本系统使用的报警方式是蜂鸣器报警方式,之所以 选择这个报警方式,一方面是因为系统研究时没有强光 型的发光二极管 ;另一方面是因为研究的系统相对而言 比较的简单,没有必要使用过于复杂的报警方式。因 此,本设计选择的报警方式为蜂鸣器报警。
3 软件设计
3.1 主程序模块
本设计所研究开发的防酒驾系统的主程序分为两个模块,分别是发送模块和接收模块。这两个模块的主程 序相互作用实现的主要功能是酒精浓度检测与 LCD 液 晶显示、数据无线传输、限制报警等。在第一个主程序 设计过程中,首先对 MCU 进行初始化程序操作,然后 再对 ADC0809、无线模块、LCD 显示模块分别进行初 始化操作,最后处理数据。
当对第二个主程序模块进行编程时,同样首先是对 单片机初始化操作,之后对无线接收模块初始化,然后 让单片机开始处理接收到的酒精浓度的数据值,最后进 行报警和限制行车的操作。
3.2 A/D 转换模块
在对数模转换模块编程时,首先对 ADC 芯片进行 程序初始化,之后,让模数转换正常进行,根据 EOC 标志位进行是否转换完成的判断,当模数转换没有结 束时,仍然接着判断,数模转换结束时,将 ADC 转 换成功的数据放到 52 单片机内部进行处理,然后由 LCD1602 进行浓度值的显示。
3.3 液晶显示模块
LCD1602 在本设计中主要是对 MQ-3 酒精传感器检 测到的酒精浓度进行显示。程序编写时,首先对 1602 进 行初始化清屏操作,然后编写写命令,再编写读命令,之 后进行数据分析,最后编写显示程序,使浓度数据显示在 第一行。在 LCD 进行显示的时候,首先对 RS 和 R/W 操 作信号进行赋值使能,规定 LCD 的工作方式为读,之 后 EN 使能信号开始起作用,输入的数据得到处理,整 个芯片进行显示工作 [4]。
3.4 无线传输模块
3.4.1 无线发送模块软件设计
本设计中在对无线发送软件进行设计时,先编写初 始化程序,然后把 CE 端口置低,之后进行模式的配置、 写入数据、配置发送数据的频率,完成之后进行清零寄 存器操作。
3.4.2 无线接收模块软件设计
NRF24L01 无线模块作为接收模块时,首先同样是 对 NRF24L01 进行初始化操作,然后进行 CE 置低、模 式配置的操作,之后处理数据、配置频率,最后进行清 零寄存器的操作 [5]。
3.5 限制报警模块
在对本系统中的限制行车并且报警的软件进行设计 时, 依次初始化 L298N 和蜂鸣器报警模块, 之后 CPU 开始处理接收到的数据,如果接收到的酒精浓数度值超 标时,进行行车限制和报警,如果不超标,继续进行接收处理数据。
4 小结
本系统主要针对人们日常生活中因酒驾引起的交通 事故日益增多而研究,研究的方向非常明确,经过深入 的研究 MQ-3 元器件、ADC0809 模拟信号和数字信号 转换器、NRF24L01 无线传输模块、L298N 直流电机 驱动等器件的原理及使用方式,查阅相关的酒驾处罚标 准,最终完成了本系统的设计。基本的系统设计要求还 是得到了满足,达到了预想的效果,比如在司机饮酒后 进行行车时,系统就会及时限制其行车,并进行酒驾的 报警。未来关于防酒驾系统的研究还有很漫长的道路, 期待着本系统能够推广开来,变成商品,进入家庭,造 福大众。
参考文献
[1] 王静.多功能防酒驾定位报警系统的设计[J].电子器件,2014. 37(03):529-534.
[2] 卢超,朱继瑜,郝鹏程,等.一种新型车载酒精浓度测量仪的设 计[J].电子设计工程,2013.21(19):90-94.
[3] 刘振华.基于NRF24L01的无线数据采集系统设计[J].山西 科技,2016.31(6):104-109.
[4] 邵婷,董军堂,王卓.基于单片机ADuC842的酒精测试仪设计 [J].现代电子技术,2015.38(12):102-104.
[5] 陈城,李瑞祥,刘婷婷,等.基于NRF24L01的无线数据传输系 统研究[J].电子科技,2016.29(11):22-24+27.
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