基于FPGA防酒后驾驶控制系统设计

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课 堂 报 告

题 目：基于FPGA防酒后驾驶控制系统设计

摘要：

随着汽车工业的发展，汽车肇事越来越受到世界各国的重视。在世界各国交通事故的法医调查中，酒后驾驶是导致交通事故发生的重要原因。虽然各国对酒后驾车执行了严格的规定，但酒后驾车任具有一定的普遍性，针对这种现象，本文设计一种基于FPGA的控制系统，通过高灵敏度的呼气式酒精传感器检测司机的酒精摄入量，当司机体内酒精浓度超标时，控制系统会自动切断汽车启动系统，使汽车无法正常启动。此控制器电路简单、制作容易，能有效地防止司机酒后驾驶车辆，保护人身和车辆安全，减少交通事故的发生，从而更好地保障交通秩序和人们的出行安全，构建和谐的交通环境。

关键词：FPGA，传感器，汽车，自动控制系统，酒后驾驶

目 录

一、设计任务概述........................................................ 1 1.1 设计背景............................................................ 1 1.2国内外研究现状 ...................................................... 1 1.2.1 国内研究现状..................................................... 1 1.2.2 国外研究现状..................................................... 2 1.3 设计任务............................................................ 4 1.3.1 要求............................................................. 4 1.3.2 系统流程图....................................................... 4 二、设计方案............................................................ 4 2.1设计思路 ............................................................ 4 2.2硬件设计原理 ........................................................ 5 2.2.1主控电路 .......................................................... 5 2.2.2酒精检测电路 ...................................................... 5 2.2.3温度传感器电路 .................................................... 7 2.2.4浓度阈值保存电路 .................................................. 7 2.2.5指示灯电路 ........................................................ 7 2.2.6报警和键盘电路 .................................................... 7 2.2.7继电器控制电路 .................................................... 8 2.3系统软件设计 ........................................................ 8 2.3.1软件整理设计思路 .................................................. 9 2.3.2数据分析模块 ..................................................... 10 2.3.3酒精浓度LED显示模块 ............................................. 11 2.3.4蜂鸣器报警模块 ................................................... 11 2.3.5LED报警模块 ...................................................... 12 2.3.6汽车制动模块 ..................................................... 12 2.4系统总原理图框架 ................................................... 13 三、心得............................................................... 13 参考文献............................................................... 14

一、 设计任务概述

1.1设计背景

近年来，随着经济迅速发展，人民的生活水平在党的领导下日益提高，私家车也越来越多，由于各方面的原因，交通事故越来越频繁。其中，根据2010年世界卫生组织嘚瑟事故调查报告显示，大约50%-60%的交通事故与酒后驾车有关。酒后驾驶已经被世界卫生组织列为车祸致死的首要原因。

在我国，母国勇分析了我国2000 年交通事故原因，明显指出驾驶员是造成交通事故的主要原因。牟建霖指出我国机动车驾驶员酒后驾车约占 20%，每年因酒后驾车发生交通事故死亡人数超过 5000 人。赵卫兴，高岩等人分析了 1994～2004 年酒后驾驶死亡人数占交通事故总死亡人数的比例，指出该比例从1994年的2%上升到2004年的4.4%，平均每年以7.3%的速度增长，可见酒后驾车的危害触目惊心，已经成为引发交通事故的罪魁祸首。刘水桂，何作顺指出，据世界卫生组织预测，到2020年道路交通事故伤害将成为全球第3位疾病，人、车、路三者在特定的环境里构成其成因，尤其是驾驶员，是导致车祸的主要因素，而驾驶员酒后驾驶又是其中的重要因素。

针对这种现象，很有必要研究一种专门协助司机安全驾驶的辅助工具，通过高灵敏度的呼气式酒精传感器检测司机的酒精摄入量，当司机体内酒精浓度超标时，控制系统会自动切断汽车启动系统，使汽车无法正常启动。此控制器电路简单、制作容易，能有效地防止司机酒后驾驶车辆，保护人身和车辆安全，减少交通事故的发生，从而更好地保障交通秩序和人们的出行安全，构建和谐的交通环境。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

酒后驾车严重危害交通安全，为检查醉驾，警察常常使用一种便携式的酒精呼吸检测仪，我国警方目前使用的酒精呼吸检测仪只能初步显示驾驶员是否饮酒，有醉驾嫌疑的驾驶员还需要接受血检，以确定其体内酒精含量是否超标。

近年来，我国也开始逐步采用科技手段防止酒后驾驶。青岛盛源达电子科技有限公司最新研究开发、投入生产的“汽车酒后控驾防盗器”是国内新型高新技术。具有酒后报警控制驾驶和高级防盗双重功能，该技术已申请国家专利。酒后控驾防盗器是一款汽车专用酒后安全驾驶的检测和预防设备，同时具有高级防盗功能。在车辆上安装酒后控驾防盗器之后，驾驶人员在车辆启动前需要进行吹气检测，当呼出的气体中酒精浓度高于国家交通部门制定的标准时，能及时断开点火电路和发出报警声，并用延时装置使驾驶人员能有机会休息以便醒酒，能有效

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地防止酒后驾车，该设备不受同车饮酒人员的影响。若从机动车上取下设备，即使有钥匙汽车也无法发动，为汽车增加了一层安全保险，从而实现了防盗功能。本产品采用呼出气体酒精含量测试仪是专用于测试人体呼出气体中酒精含量的仪器。本机敏感元件采用兆度电子先进的纳米半导体热线型酒精传感器，具有极好的灵敏度和出色的重复性；测试程序由人工智能设计的微电脑控制。

我国对于这方面的研究还是相对比较少，香港一家公司发明了一种名为 i—KEY 的车钥匙，能够有效而方便地防止醉酒驾驶。这种钥匙将感应器、远程信息处理等技术整合在车钥匙上，从外观看，它比正常的车钥匙多了一条锁棒。使用时，司机要先按 i—KEY 上的开始按钮，绿色准备灯亮了之后，对着气孔吹气约两秒钟。当呼出气体的酒精含量低于规定值时，它会立即开锁，把锁棒收起来，车钥匙便能顺利插入钥匙孔，启动引擎。否则，钥匙将亮起红灯，锁棒便不能收起来，汽车将无法启动。 目前，国家交通技术领域正在开发研究驾驶行为监控预警技术和装备，研究内容：驾驶状态及车辆运行状态与环境实时检测技术，异常驾驶状态实时识别技术，驾驶意图、行为预测及违规操作判别技术，危险驾驶行为的预警方法与技术，驾驶行为监控预警系统集成技术。研究目的：通过研发异常驾驶状态、违规操作、不良驾驶习惯等检测预警系统与装置，形成驾驶人行为的实时监控技术，为有效减少道路交通事故提供技术支撑，从而开发适用于驾驶行为监控系统原型样机，并将通过实车实验验证。

1.2.2国外研究现状

针对司机酒后驾车事故频繁的现象，国外最早开始研发针对酒后驾驶的酒精测试仪。1957 年 1 月 23 日，世界上第一台醉酒呼吸分析仪在瑞典首次投入使用，它可以当场直接测试。它能检测出司机呼出气体中的酒精含量，并将这一结果显示于仪器的显示屏上。交警据此判断该司机是否酒后驾驶。目前，英国、澳大利亚、比利时、法国、荷兰、新西兰、西班牙、瑞典等欧洲国家，普遍采用的办法是在交通事故现场，交警随身携带呼气式酒精测试仪，对司机呼出气体中的酒精含量进行快速检测，根据检测结果进行事故处理并给予驾驶员一定的惩罚。 为了能够协助驾驶员主动测试是否酒后驾驶，国外许多国家先后研究了用于汽车上的不同酒后测试办法。

英国布里斯托尔大学生理学家霍尔瓦特设计了一种高智能座驾，其上装有一套名为“个人警察”的监察系统，由红外线摄像机、感应器和带有电脑分析功能的“小黑箱”组成。通过“小黑箱”摄像机录制的司机眼球活动情况以及感应器侦察到的方向盘扭转动作集中起来进行分析，从分析方向盘转动情况仪器中获得的信息与从扫描司机瞳孔移动装置获得的信息发生联系并进行比较，通过这一对照完全可以确定司机是否头脑清醒。根据司机审视行车方向长短，判定司机的醉

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酒程度。

意大利主要方法是在车上配备酒精检测 MEMS 传感器，将 MEMS 传感器置于方向盘的中间位置，酒精检测 MEMS 传感器将元件植入在直径 8mm 的密封外壳内、连同信号处理电路等一起嵌入方向盘内，通过该传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量。

瑞典绅宝用附带酒精检测功能的钥匙组件“Alcokey”，在汽车遥控器内部嵌入小型酒精测试器，当司机按下遥控车钥匙的时候，该探测器就会同时开始工作。检测司机饮酒度的方法是：司机必须向测酒钥匙的底部呼气检测呼气酒精含量。 最近瑞典豪华品牌沃尔沃汽车公司推出车载酒精检测系统，它通过一个无线手持设备检测驾驶者呼出空气中的酒精含量，从而判断驾驶者血液中的酒精浓度。

而日产的反酒后驾驶控制系统命名为 Carwings 的车载蓝牙综合安全系统，该套系统主要是把酒精测试声纳安置在变档器上，可以通过对眨眼情况探测分析出司机清醒状态的面部识别系统，以及对驾驶情形进行探测分析，系统可以做出感应。日本汽车业巨头丰田将研制一种装在机动车辆上的防酒后驾驶系统。

英国通过车载“个人警察”的监控系统，根据司机审视行车方向的长短，从而来判断司机的醉酒程度，来判断是否发出报警信号或使汽车无法启动。意大利通过置于方向盘内的 MEMS 酒精传感器检测驾驶员呼出气体酒精浓度，当检测其超过安全驾驶标准时，使汽车无法启动。瑞典绅宝主要方法是利用带有酒精检测功能的钥匙组件“Alcokey”，当司机按下遥控车钥匙时，该探测器就开始工作，司机必须向测酒钥匙底部呼气，当检测到呼气酒精含量超标时，无法向车辆控制组件发出解除警报信号，从而使汽车无法启动。沃尔沃的车载酒精检测系统，是把该检测系统的结果通过无线传感技术传给汽车的电子控制系统单元，当酒精含量超过系统中的设定值的上线，该系统将阻止启动动机。而日产的防酒后驾驶控制系统通过变档器上的探测声纳探测司机手上的汗液中含有酒精，便会自动上锁，并通过车内的声音报警发出“酒后驾车”的声音提示，该系统还可以通过对司机的脸部活动和行车状况探测出司机是否酒后驾车，并会发出报警声，并自动收紧安全带，同时导航系统中显示“不要酒后驾车”信息。

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1.3设计任务

1.3.1要求

（1）挑选合适的酒精传感器和相应的FPGA控制器型号 （2）通过不断的数据采集，进行酒精浓度划分，FPGA内部存储单元进行数据分析。

（3）自动识别驾驶员，将酒精数据采集对象面向驾驶员

（4）若测得驾驶员酒精含量超标，说明醉酒驾车，系统自动发出警报，红灯闪烁，并且无法制动汽车。

（5）若驾驶员酒精含量未超标，则一切正常，汽车正常制动 1.3.2系统流程图

系统流程图如图1所示

图1 系统流程图

二、 设计方案

2.1设计思路

本研究设计的防止酒后驾驶的控制系统，采用旁热型半导体酒精气敏原件MQ3，由于酒精含量与酒精传感器检测后产生的电压信号成特定的比例关系，因而可根据电压信号进行酒精含量的判断。通过该酒精传感器检测驾驶员呼出气体的酒精含量，判断是否超过安全驾驶标准，FPGA控制系统自动进行算法处理，显示该酒精浓度，使驾驶员能够清楚的看到已经饮酒过度，所以需要选择一种显示仪器来显示驾驶员呼出气体酒精浓度值范围，基于这种要求，本次设计选用LED显示模块。

为了能够警示酒精超标的驾驶员不要驾驶，本系统中需要设计一种报警系统，能够在驾驶员欲酒后驾驶时，发出警告提示。分为两个模块，一个是LED

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灯不断闪烁，另一个是蜂鸣器进行声音报警。

该系统的最主要功能是为了当检测到司机呼出气体内酒精浓度超标时，能够自动切断汽车引擎电源，所以需要一种执行机构能够自动的切断汽车引擎电源，本次设计选用继电器来达到这个目的，通过继电器的动作来控制汽车引擎电源是否开启。

通过选用本方案中的元件，该控制系统能够通过快速检测驾驶员呼出气体的酒精浓度是否超标，通过内部控制器的数据处理，检测驾驶员呼出气体酒精含量是否超标，当检测到驾驶员饮酒过度时，能够显示酒精浓度值范围和报警提示不要酒后驾车，并快速切断汽车引擎电源，停止启动发动机。

2.2硬件设计原理

2.2.1主控电路

FPGA，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言（Verilog 或 VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合和布局，快速地烧录至FPGA 上进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。

该设计系统采用Digilent公司的Basys2开发板，利用Basys2板的板载扩展接口，自行设计硬件模块连接图，通过verilog语言用FPGA来实现各硬件模块功能以及各模块的逻辑连接。 2.2.2酒精检测电路

根据 GB19522-2010《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》，交警判定酒后驾驶的标准见表 1.

表 1 车辆驾驶人员血液酒精含量临界值

行为类别 对象 临 界 值 /(mg/100ml) 饮酒驾车 醉酒驾车

车辆驾驶人员 车辆驾驶人员 - 5 -

20 80 测量血液中的酒精含量需要到医院进行，由于人体呼出气体中的酒精含量与人体血液中的酒精浓度是有一定的对应关系，所以呼气酒精测试仪的测量结果也可作为酒后驾驶的判断依据，且更便于执法人员现场操作和快速作出判断。因此一般先检测车辆驾驶人员的吹气中酒精含量，再换算出其血液中酒精含量，其换算公式为

BAC(mg/L)=2200×BrAC(mg/L)，或 BAC(mg/100mL)=220×BrAc（mg/L） 该系统采用旁热型半导体式酒精气敏元件 MQ3，探测范围为 10～1000ppm。酒精检测电路由高精度酒精传感器、信号调理放大电路、滤波电路和FPGA内部控制单元等组成，主要功能是检测酒精含量，判断其是否超标。

表2 酒精传感器电压值与酒精浓度对应关系

电压值 u 区间/V 0~0.70 0.70~0.82 0.82~1.47 1.47~1.74 1.74~2.65 2.65~2.76 2.76~3.65 3.65~4.52

质量浓度转换式 C/（mg·(100ml) -1 ） 0 41.7u-28.2 21.5u-11.7 48.1u-50.8 128.6u-190.7 154.5u-259.5 233.7u-478.0 100u+10

图2 酒精模块图

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2.2.3温度传感器电路

用于检测驾驶员座位上是否有人。采用 DS18B20，可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，如图3.

图3温度传感器

2.2.4浓度阈值保存电路

采用 AT24C02，是一个 2K 位串行 CMOS E2PROM 内部含有 256 个 8位字节，CATALYST 公司的先进 CMOS 技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02 有一个 16 字节页写缓冲器。该器件通过 IIC 总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

2.2.5指示灯电路

指示灯电路有红绿黄三个指示灯，红灯是电源指示灯，工作时亮;绿灯是检测提示灯，因为酒精探头需要一定时间加热，才能达到理想的灵敏度，加热时间到，绿灯亮，表示可以进行浓度探测;黄灯为报警指示灯，黄灯不亮，表示可以行车;当黄灯亮时，表示酒精浓度超标，不可以驾驶。

2.2.6报警和键盘电路

利用蜂鸣器作为报警器，当酒精含量超标时，发出禁止行车警告音，不超标时发出允许行车提示音。由FPGA的 I/O 口驱动蜂鸣器来实现。键盘模块可以在一些紧急的时候，进行拨号报警，挂机，设置等操作，增加系统人性化的操作。

图4键盘模块

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图5报警电路模块

2.2.7继电器驱动电路

当检测到人体内血液浓度超过标定值时，如果驾驶员有意向开启汽车钥匙（电路里面用按钮表示），那么酒后驾驶智能闭锁系统将驱动继电器动作（，切断汽车引擎电源，从而使汽车无法启动，从而有效的防止驾驶员酒后驾车。继电器驱动电路原理图如下图，继电器为双刀双掷HRS2H-S-DC5V小功率电磁继电器，额定电压3V～24V,额定电力消耗200mW～360mW。

图6 继电器驱动电路设计

2.3系统软件设计

系统软件采用Veilog HDL语言，在Windows 8环境下采用ISE进行编写，对Basys2进行编程以实现各项功能。在整个软件的设计过程中，使用了模块化的结构设计思想使得程序具有灵活可变的特点并且具有较强的可移植性，为系统的二次开发及类似系统的开发提供了极大的便利。

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2.3.1 软件整体设计思路

本次设计涉及到的程序量非常大，所以采用模块式的程序编写思路会使整个程序脉络清晰，易于理解分析。软件总体设计思路：主程序主要包括传感器输入、数据采集、数据处理、声光报警、驱动等子程序。

其中，FPGA控制器主要功能是驱动继电器动作从而控制电机的启动；数据采集程序主要将接受到的数据送到A/D转换器中处理，进而将数字信号输入到 FPGA运算单元中；然后，一部分送去LED显示，另外一部分与设定值进行比较，当其超过标定值时，语音报警器提示驾驶员开车危险，使其提高警惕，同时控制继电器的动作，使汽车引擎不能启动。该系统设计采用汇编语言编程。 2.3.2 传感器采集数据设计

选择50M HZ的时钟，每一个时钟就采集一下有酒精传感器输入来的数据，经过程序算法，与给定酒精数据值进行匹配，将酒精数据值进行转码，传送到下一个模块。

图7 酒精数据输入处理

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2.3.3 数据分析模块

选择同一个时钟，每一个时钟就采集一下数据。将由上一个模块的数据传过来的数据进行分析判断，根据不同结果将不同数据流发送给相对应的模块进行处理。

图8 系统分析判断模块

其中：

led[6:0] 表示酒精浓度范围：共有7个Led灯，灯亮的多少表示酒精浓度的高地

Go 表示汽车制动，1为汽车正常启动，0为汽车禁止制动 laba_1表示蜂鸣器警报，1为发出警报，0为休眠状态 led_baojin表示LED闪烁报警，1为报警启动，0为休眠状态 Ready 表示酒精浓度超标与否，1为超标，0为未超标

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2.3.4 酒精浓度LED显示模块

选择同一个时钟，每一个时钟就采集一下数据。如果ready为1，则将led_in的数据传送给led_out，显示酒精浓度的高低。如果ready为0，则Led_out全体熄灭，表示酒精浓度为0，驾驶员未酒驾。

图9 酒精浓度显示模块

2.3.5 蜂鸣器报警模块

选择同一个时钟，每一个时钟就采集一下数据。如果ready为1，则表示酒精浓度过高，蜂鸣器开启，进行提示驾驶员。如果ready为0，表示驾驶员未酒驾，不进行报警。

图10 蜂鸣器报警模块

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2.3.6 LED报警模块

选择同一个时钟，每一个时钟就采集一下数据。如果ready为1，则表示酒精浓度过高，LED进行闪烁，提醒驾驶员。如果ready为0，表示驾驶员未酒驾，不进行报警。

图11 LED闪烁报警模块

2.3.7 汽车制动模块

选择同一个时钟，每一个时钟就采集一下数据。如果ready为1，则表示酒精浓度过高，汽车无法制动。如果ready为0，表示驾驶员未酒驾，汽车正常制动。

图12 汽车制动模块

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2.4系统总原理图框架

图13 系统总原理图模块

三、 心得

本文采用FPGA主控制系统构成的智能控制系统对汽车引擎进行智能化控制，能够在干扰较小的状态下接收传感器的信号，并进行处理和逻辑判断控制执行继电器的动作，当检测到驾驶员体内酒精含量超过安全驾驶的标定值时，能够自动切断启动系统电源，使汽车无法启动。

通过本次的设计，将软硬件电路又熟悉了一遍，自己又收获了很多。先是整体的构思到硬件各部分电路方案的选择，最后各个细节的实施都需要细心的通过查找资料，从器件的选择、电路的设计、软件编程、各模块调试都需仔细认真对待才能完成。在整个过程后，各方面的能力都有所提高。

根据设计前对该系统所要实现功能的要求，综合考虑我采用Basys2控制核心。软件是Verilog HDL语言编写的，编写的思路就是模块化思想，将系统的各个功能进行划分，然后对各个模块进行设计。本系统的主要模块为传感器输入、数据采集、数据处理、声光报警。首先要了解系统所要实现的功能；其次根据功能去选择相应的硬件资源；再次将一个大的系统进行模块化划分，然后逐一去攻破。最后把所有模块进行优化整合，使得到一个完整的系统。基于这样的思路，完成了防酒后驾驶控制系统的基本设计。

希望自己的努力能对社会有所贡献。

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