《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MSP430的酒駕報警減速器的研制
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第9期
吳川隆, 王 忠, 羅 雪, 康 凱
四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院, 四川 成都 610065
摘要： 以MSP430為核心控制器，利用測速器、FPGA、減速器、聲光報警模塊和LCD1602液晶顯示器，設(shè)計了一款防止酒后駕車的汽車報警減速器，實(shí)現(xiàn)對車速的控制和平穩(wěn)停車。對數(shù)據(jù)采集過程中對數(shù)據(jù)的處理方法以及控制汽車停車控制算法作了詳細(xì)闡述,整個系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試,能運(yùn)行正常。
中圖分類號： TP273
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B
文章編號： 0258-7998(2012)09-0131-03
Research and design of the alcoholism alarm and brake based on MSP430
Wu Chuanlong, Wang Zhong, Luo Xue, Kang Kai
School of Electrical Engineering and Information Sichuan University, Chengdu 610065, China
Abstract： This paper presents and designs a anti-drinking driving alarm and brake, which uses MSP430 as the core, combined with the speed measurement module, FPGA, brake module, alarm module and LCD1602 to achieve the control of the speed and stable parking. In the process of data collection, the way of data processing and the control algorithm of automobile parking are discussed in detail. After debugged, the whole system can be normally operated.
Key words : drinking driving； MSP430； alarm； brake； data processing； control algorithm

    面對酒后駕車這一當(dāng)今世界重大問題，研究和開發(fā)新的防酒駕技術(shù)變得迫在眉睫。汽車酒駕報警減速器是一款基于MSP40和FPGA、能夠檢測汽車室內(nèi)空氣中乙醇分子濃度，并根據(jù)乙醇分子濃度和汽車運(yùn)動狀態(tài)控制汽車運(yùn)動狀態(tài)的系統(tǒng)。其構(gòu)成模塊的關(guān)系如圖1所示，該系統(tǒng)以MSP430為核心控制芯片，并考慮到運(yùn)算負(fù)擔(dān)和節(jié)能問題，利用FPGA構(gòu)成一個基于模糊控制的PID算法的報警減速器，當(dāng)檢測到司機(jī)酒后駕車，并發(fā)出聲光報警之后，若汽車并未停駛，則觸發(fā)減速器工作。

1 系統(tǒng)環(huán)境的模塊構(gòu)成簡介
1.1 傳感器及安放位置
    空氣酒精濃度傳感器主要有半導(dǎo)體型、燃料電池型、紅外線型、色譜分析型及比色型等五大類，由于價格和使用便利性等因素，普遍應(yīng)用的只有半導(dǎo)體型和燃料電池型兩種。其中，常溫型半導(dǎo)體型HS-3A酒精濃度傳感器[1]因靈敏度高、恢復(fù)速度快、壽命長，可以抵抗汽油、水蒸氣和煙霧的干擾。等特點(diǎn)而受到廣泛應(yīng)用。
    為使檢測方便可行性高,系統(tǒng)不采用嘴吹氣的方式。而從司機(jī)的開車姿勢分析,呼出的氣流方向總是正對著方向盤，方向盤處的乙醇分子濃度在車室內(nèi)總是最先達(dá)到最高濃度，故將酒精濃度傳感器安放于方向盤，且進(jìn)氣口朝上。
1.2 測速器的設(shè)計
    系統(tǒng)環(huán)境模塊采用槽式光電對管的方法實(shí)現(xiàn)，圖2所示為測速碼盤，碼盤的邊緣是離碼盤中心距離相等、排列間隔一致的過孔。將碼盤安裝在汽車的變速齒輪箱或者輪胎轉(zhuǎn)軸上，用槽式光電對管的U形槽直接將測速碼盤夾在凹槽中央（測速碼盤能自由轉(zhuǎn)動），當(dāng)測速碼盤轉(zhuǎn)動時便能測出汽車的速度。



3 減速器設(shè)計及控制
    整個減速器基于FPGA響應(yīng)并實(shí)現(xiàn),采用PID改進(jìn)算法。由于PID控制原理簡單、使用方便、參數(shù)KP、KI和KD能根據(jù)動態(tài)過程適時調(diào)整，魯棒性強(qiáng)，其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不太敏感。但它對非線性和復(fù)雜過程的控制效果不佳，因此在實(shí)際工業(yè)控制中均使用PID改進(jìn)的算法。而模糊控制對于非線性、復(fù)雜的控制對象顯示出了控制性能高、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于模糊控制自適應(yīng)的PID控制算法[2]，即將PID控制算法與模糊控制算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制過程，其減速器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

 

 


    (1)當(dāng)e較小時，汽車運(yùn)動速度與期望值接近，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加KP和KI，同時，為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近振蕩，應(yīng)適當(dāng)選取KD值，選取原則如下：若ec較大,則KD取較小值;若ec較小,則KD取較大值。
    (2)當(dāng)e和ec為中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)的起調(diào)較小，KP應(yīng)取較小值。在這種情況下，KD的取值對系統(tǒng)影響較大，KI和KD應(yīng)取值適當(dāng),以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。
    (3)當(dāng)減速控制系統(tǒng)響應(yīng)酒后駕車信號時， e較大。為加快響應(yīng)速度，取較大的KP和較小的KD，同時為避免速度超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對積分作用加以限制，一般取KI=0。
    根據(jù)以上分析，制定出如表1所示的控制規(guī)則。

    糊控制器根據(jù)規(guī)則中的輸入、輸出模糊關(guān)系和實(shí)際輸入的模糊值得到輸出的模糊狀態(tài)。假設(shè)實(shí)際檢測的系統(tǒng)誤差和誤差變化率分別為e*和ec*，誤差連續(xù)取值范圍為e=[eL,eH]，eL表示低限值，eH表示高限值，則量化為模糊控制器的精確輸入為E*和EC*，分別表示如下：
  
    最后利用式(12)即可實(shí)現(xiàn)對KP、KI和KD的控制，減速器仿真圖[4]如圖5所示。從圖中可知，輸入端信號與輸出端信號基本重合，可見基于模糊控制自適應(yīng)的PID控制器能夠很好地滿足控制要求。

    基于MSP430的汽車酒駕報警減速器工作穩(wěn)定，性能可靠。經(jīng)實(shí)際檢測，當(dāng)車室內(nèi)空氣中乙醇分子的濃度達(dá)到聲光報警（酒后駕駛）點(diǎn)時，能夠很好地作出響應(yīng)。如果在汽車靜止時檢測到屬于酒后駕車，則控制減速器工作的步進(jìn)電機(jī)將停止工作；如果在汽車運(yùn)動的過程中，檢測到屬于酒后駕車，則MSP430將會觸發(fā)FPGA減速器，使步進(jìn)電機(jī)工作，迫使汽車平穩(wěn)地停駛，從而真正實(shí)現(xiàn)酒后駕駛報警減速的作用，有效控制酒后駕車和預(yù)防交通事故的發(fā)生。
參考文獻(xiàn)
[1] 潘祖軍，朱文勝，岳睿.汽車用酒精傳感器的分析[J].北京汽車，2007（1）：39-41.
[2] 王述彥,師寧,馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,30(1):166-167.
[3] 王吉龍. 基于模糊PID的溫度控制系統(tǒng)[J].電子工程師,2008,34(5):77-80.
[4] 李國勇.智能控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

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