一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计.docx

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一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计

摘要

随着经济的发展，各国城市建设规模的不断扩大，人们的物质生活水平有了很大的提高。

公共汽车已经不能满足人们的日常需求，小轿车渐渐成为了人们出行的重要工具。

然后，随着汽车数量的逐渐增加，交通安全已经成为了当今国际交通运输领域的重大难题之一。

本文在研究国内外防止酒后驾驶和疲劳驾驶的技术基础上，针对导致交通事故频发的事实，提供了一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计。

本系统设计思路主要分为两大部分，软件控制部分和硬件实物部分。

软件部分主要是用C语言编写程序，采用模块化的独立设计结构，便于后续的修改和调试。

硬件部分主要包括三大部分，控制启动系统处于工作状态部分、防止疲劳驾驶部分和防止酒后驾驶部分。

关键词：

酒后驾驶，疲劳驾驶，MQ-3传感器，数字触摸传感器模块，单片机

ABSTRACT

Witheconomicdevelopment,Urbanconstructioncontinuestoexpandthescaleofcountries,people'slivingstandardsgreatlyimproved.

Inthisprocess,ifthedefaultvalueisexceeded,therelaydrivercircuitdoesnotstartandbuzzeralarm.

Keywords:

Drinkdriving,drowsydriving,MQ-3sensor，digitaltouchsensormodule,microcontroller

1绪论

1.1引言

自1886年第一辆汽车在德国诞生以来，汽车就成为了科技进步和人类现代文明发展的象征，为人类社会现代化的发展做出了重大贡献。

一百多年来，汽车不断影响和改造着人们的生活方式，在带来便捷的同时，也极大地拓展了人类的活动空间，为人类生活营造出了一个快捷、高效、舒适的环境。

1.2课题研究的背景与意义

道路交通安全问题是世界各国所面临的一个普遍问题，每年全球的道路交通事故多达10亿次[3]，占到全球安全事故总数的90%左右。

近几十年来，虽然很多高收入国家的道路交通事故死亡率已趋于稳定或下降，但研究表明，世界大部分地区的道路死亡人数却在不断增加，按照这种趋势发展，到2030年时道路死亡人数将上升到大约每年240万。

此外，交通事故每年为2000万至5000万人带来非致命伤害，而且这已成为致残的一个重要原因。

1.3课题国内外的研究现状

随着科技的发展，针对防止酒后驾驶和防止疲劳驾驶的问题，人们找到了各种解决方法。

其中包括检测酒后驾驶的文章有：

根据理论研究，要判断是否是酒后驾驶，最准确的方法应该是检查驾驶人员血液中的酒精含量[2]。

但由于使用是否方便和价格等因素，目前普遍使用的只有燃料电池型（电化学型）和半导体型二种[4]。

半导体型一般采用氧化锡半导体作为传感器，其具有气敏特性，当接触的气体中其所敏感气体浓度增加时，呈现的电阻值就会降低，半导体型呼气酒精测试仪就是利用这个原理做成的。

这种半导体在不同工作温度时，对不同的气体敏感程度是不同的，因此半导体型呼气酒精测试仪中都采用加热元件，把传感器加热到一定的温度，在该温度下，该传感器对酒精具有最高的敏感度[2]。

包括防止疲劳驾驶的文章有：

摄像机安放在汽车的控制面板上，因此并不影响驾驶员正常驾驶时的视野。

利用汽车速度传感器来监测车辆的速度，当超过预先设定的车速后，一般为40km/h，启动本系统，此外还需要连续检测驾驶员的头部图像。

检测方法是，连续检测几帧驾驶员图像，当驾驶员有微小动作时，通过移动的像素数来判断头部的位置，根据驾驶员五官的相对位置，经图像处理后，确定眼睛的位置。

该方法可以实现从整体到局部、从“粗”到精，准确的检测到眼睛的位置，继而可局部处理眼睛的图像，精确的分析眼睛特征参数，根据眨眼时间、睁闭程度、眨眼频率等，利用人眼在困倦和清醒时的特征参数估计出当时状态，在疲劳时予以报警。

其所有检测的结果和车辆行驶状态均将被同时保存在SD卡中，当发生事故时，可用于分析事故原因[6]。

而我国也在机动车辆驾驶中驾驶安全测评方法的研究上取得了一定的理论成绩，但目前为止，还没有研究出实用的产品，和发达国家相比存在着很大的差距。

因此，在我国，研究防酒驾和防疲劳的意义是显而易见的。

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4课题研究内容

一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计，主要分为：

软件控制部分和硬件实物部分。

软件部分主要是用C语言编写程序，采用模块化的独立设计结构，便于后续的修改和调试，用到的软件主要是keil、proteus等。

硬件部分，主要包括三大部分，控制启动系统处于工作状态部分、防止疲劳驾驶部分和防止酒后驾驶部分：

（1）控制启动系统处于工作状态部分：

（2）防止疲劳驾驶部分：

（3）防止酒后驾驶部分：

2系统的工作原理与结构

2.1系统的工作原理

本设计是一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计，是以两块STC89C51单片机作为控制器，其具体的工作原理为：

2.2系统的结构

图2-1系统结构框图

图2-2系统原理框图

2.3系统的结构特点

一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计，具有如下结构特点：

（1）数据采集系统以STC89C51单片机为控制核心，外围电路带有LCD显示、复位电路、晶振电路等，不需要其他计算机，用户便可以与其进行交互工作，完成对数据的采集、计算、分析、判断、处理、存储等过程。

（2）系统具有小型化、低功耗、高性价比、高灵敏度等特点。

（3）从便携式的角度出发，系统通过微动开关设置时间阈值和酒精浓度阀值，结合单片机的控制，有效的实现了人机交互操作、界面友好。

（4）软件系统都采用C语言进行编写，在兼顾实时性处理的同时，也方便了对数据的处理。

（5）可以实现防止酒后驾驶和防止瞌睡驾驶的功能，且对汽车点火及报警具有相对独立的控制。

（6）能够有效的模拟现实中的情况，具有很强的实际效果和应用价值。

3系统的硬件设计

本系统由四个1.5V的干电池对防止疲劳驾驶部分进行电源供电，由防止疲劳驾驶部分的单片机和霍尔传感器共同控制防止酒后驾驶部分的电源供电

3.1元器件的选择

3.1.1单片机的选择

单片机是单片微型计算机译名的简称，在国内也被常称为“单片机”或“单片微机”。

其包括中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、串行口和I/O口、中断系统、定时器/计数器等。

现在的单片微机已不仅指单片微型计算机，还包括微计算机、微控制器、微处理器和嵌入式控制器[26]。

本次设计选用的单片机是STC89C51单片机，属于STC系列单片机。

该系列单片机是由美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。

片内含有UART、SPI、A/D、Flash程序存储器、PWM、SRAM等模块。

STC89C51是高性能、低功耗、超强抗干扰的CMOS8位微控制器，是采用8051核的ISP在系统可编程芯片。

其最高的工作时钟频率为80MHz，片内含有4KB可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，片上的Flash可允许程序存储器在系统上编程，亦适于常规编器。

在芯片内，集成了ISPFlash存储单元和通用的8位中央处理器，配合PC端的控制程序可以将用户的程序代码直接下载到单片机的内部，速度更快，为用户省去了购买通用编程器的麻烦。

STC89C51具有以下标准功能：

看门狗定时器、全双工串行口、4字节的Flash、片内晶振及时钟电路、2个数据指针、512字节的RAM、3个16位定时器/计数器、32位的I/O口线、通用异步串行口等。

STC89C51单片机作为控制核心，该单片机的I/O口控制图如下图3-1所示：

图3-1STC89C51的接口控制图

图3-2STC89C51的实物图

3.1.1.1工作模式

（1）空闲模式：

典型功耗2mA。

（2）掉电模式：

典型功耗<0.1μA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程

序。

（3）掉电模式：

其可由外部中断唤醒，适用于气表、水表等电池供电系统及便携设

备。

（4）正常工作模式：

典型功耗4mA～7mA。

3.1.1.2STC89C51的引脚说明

VCC（40引脚）：

电源电压。

VSS（20引脚）：

接地。

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：

P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据服用总线使用。

当为输入/输出口时，其是一个8位准双向I/O口，上电复位后处于开漏模式，这个时候需要外接10K-4.7K的上拉电阻。

作为输出端口时，每个引脚能驱动8个TTL负载，即能够以吸引电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，并对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入端用。

此外，在访问数据存储器和外部程序时，P0口也可以提供低8位地址[A0～A7]和8位数据[D0～D7]的复用总线。

此时，P0口无需外接上拉电阻，其内部的上拉电阻有效。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：

P1口是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲器可以驱动（吸收或者是输出电流方式）4个TTL负载。

对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

当P1口作为输入端口使用时，因为有内部存在的上拉电阻，所以被外部拉低的那些引脚会输出一个ILL。

此外，P1.0和P1.1还具有第二功能，具体参见下图3-3：

图3-3P1.0/P1.1第二功能

P2端口（P2.0～P2.7，28～21引脚）：

P2口是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL负载。

对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

当P2口作为输入端口使用时，因为有内部存在的上拉电阻，所以被外部拉低的那些引脚会输出一个ILL。

当在访问8位地址的外部数据存储器（例如，执行“MOVX@R1”指令）时，P2端口输出P2锁存器的内容，在整个访问期间不会改变。

当在访问外部程序存储器或者16位地址的外部数据存储器（例如，执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2端口输出高8位地址[A8～A15]。

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：

P3是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O端口。

P3的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL负载。

对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

当P3口作为输入端口使用时，因为有内部存在的上拉电阻，所以被外部拉低的那些引脚会输出一个ILL。

P3口除了作为一般I/O口之外，还具有一些第二功能，如下图3-4所示：

图3-4P3引脚第二功能

RST（9引脚）：

复位输入脚。

当看门狗计时完成之后，RST引脚就会输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR上的DISRTO位可使该功能无效。

而DISRTO默认状态下，复位在高电平有效。

当连续输入两个机器周期以上的高电平时，该引脚为有效，这可以用来完成单片机复位初始化的操作。

XTAL1（19引脚）：

振荡器内部时钟反相放大器输入端口和外部时钟源的输入端口。

XTAL2（18引脚）：

振荡器内部时钟反相放大器输出端口，接外部晶振另一端。

当直接使用外部时钟源时，可浮空。

（29引脚）：

可作为标准I/0口，也是外部程序存储器选通信号输出引脚。

ALE（30引脚）：

可作为标准I/0口，也是地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。

在Flash编程时，该引脚可用作编程输入脉冲。

（31引脚）：

可作为标准I/0口，也是访问外部程序存储器控制信号。

当需要从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令时，接地。

其他引脚功能，如下图3-5所示：

图3-5其他引脚功能

3.1.2气敏传感器的选择

3.1.2.1酒精浓度测试原理

判断驾驶员是否处于酒驾，最直接有效的方法是检测其血液中的酒精含量，但由于检测过程中需要对驾驶员进行血样采取，其操作过程复杂且耗时，在实际使用过程中，无法有效的应用于驾驶员的自我检测。

因此，常用的方法是采用对测量呼出气体的酒精浓度进行检测。

人喝酒后，酒精会被肠胃的毛细血管吸收，通过肺动脉进入肺部，血液会在肺泡中完成气体的交换，这时含有的酒精气体就会被呼出体外。

而呼出气体中酒精含量与血液中酒精浓度存在一定的线性关系。

通常意义上认为，血液中酒精浓度（BAC）与呼出的气体酒精浓度（BrAC）比例为2100：

1[4]：

（3-1）

因为BrAC数据会受到环境湿度、温度、被测试者身体差异等诸多方面的影响，其检测结果没有直接测得的BAC准确，但仍然可以作为判断其饮酒程度的重要依据。

目前我国大多数省市把每100mL血液中含有20mg酒精，规定为“饮酒”的下限。

把每100mL血液中含有100mg酒精，规定为“醉酒”的下限。

根据（3-1）的换算关系，可以得出，即当呼出的气体酒精浓度超过了0.09mg／L时，即判定为“饮酒”，超过0.48mg／L，即判定为“醉酒”。

在实际应用中就可以利用酒精气敏传感器，将呼出的气体中的BrAC值转换为电信号，经过单片机处理，来实现对被检测人员饮酒程度测试。

3.1.2.2酒精气敏传感器的选择

酒精浓度准确的检测是决定防止酒后驾驶成功与否的主要因素，而酒精浓度的检测是依靠酒精气敏传感器来实现对信号的采集。

现今，普遍使用的酒精气敏传感器只有半导体型和燃料电池型。

这二种类型能够制成便携式呼气式酒精测试器，适合于现场检测。

在实际应用中，电化学型基本被应用于交警执法部门，半导体则基本被应用于民用市场。

基于本次设计的要求和使用环境、精度的需要，防止酒后驾驶部分选用灵敏度高、响应速度快、稳定性好、测量范围宽的MQ-3气敏传感器，该传感器对酒精气体具有良好的选择性、很高的灵敏度、快速的响应、长期的寿命以及可靠的稳定性，而其的驱动电路也很简单。

3.1.2.3MQ-3酒精气敏传感器的结构和外形

MQ-3酒精气敏传感器由

敏感层、微型

陶瓷管、测量电极以及加热器构成的敏感元件固定在不锈钢或塑料制成的腔体内，加热器为敏感元件提供必要的工作条件。

封装好的气敏元件有六只针状管脚，其中两只管脚用于提供加热电流，另外四只管脚用于对信号的提取。

如图3-6所示：

图3-6MQ-3气敏元件结构图

图3-7MQ-3气敏元件实物图

3.1.2.4MQ-3检测电路

检测电路下图3-9所示，由5V直流稳压源提供电源，稳压源的正负极分别连接MQ-3用于加热的管脚，在其中一根管脚的连线上加上开关S。

MQ-3的四个管脚和数字万用表相连。

在测试过程中，数字万用表调到欧姆档。

当电源开关S断开时，传感器两端电流为零，传感器停止加热，实际测得A，B之间的电阻值大于20MΩ。

当电源开关S接通时，则传感器f和f之间电流由开始时的160mA降到150mA时稳定。

当加热开始几秒钟以后，A、B之间电阻快速下降到10KΩ以下，然后又慢慢上升到120KΩ以上，随后并保持着这一数据。

此时，如果将酒精溶液样品接近MQ-3酒精气敏传感器时，可以立即看到万用表显示值由由原来的大于120KΩ迅速降到10KΩ以下。

当移开酒精溶液样品1分钟以后，A、B之间的电阻值恢复到了大于120KΩ。

经过反复重复性的试验，MQ-3酒精气敏传感器都可以正常工作使用，但对不同浓度的酒精溶液有着不同的变化，而其响应和恢复的时间都很正常，正是基于该实验的基础上可以对防止酒后驾驶部分可以进行进一步设计。

图3-8MQ-3检测电路

3.1.2.5MQ-3灵敏度特性曲线

当温度在20℃、相对湿度在65%、氧气浓度在21%、RL:

200kΩ时，其灵敏度曲线如下图3-9所示：

图3-9MQ-3气敏元件的灵敏度特性曲线

其中，Rs：

气敏元件在不同气体、不同浓度时的电阻值；R0：

气敏元件在洁净空气中的电阻值。

3.1.2.6MQ-3输出电压与酒精浓度关系

通过实际测试，MQ-3模拟端输出的信号与酒精浓度特性曲线近似为线性关系[27]。

如下图3-10所示：

图3-10MQ-3输出电压与酒精浓度关系曲线

3.1.2.7MQ-3标准工作条件和环境条件

环境的温度和湿度变化对气敏传感器的灵敏度有一定影响。

当环境湿度较低时，气敏传感器的灵敏度则较低；当环境温度较高时，气敏传感器的灵敏度则较高。

在标准的工作条件下，MQ-3酒精气敏传感器测试的气体浓度范围为5000-20000单位，浓度上限值为0.2%。

MQ-3标准工作条件如下图3-11所示。

MQ-3环境条件如下图3-12所示：

图3-11MQ-3标准工作条件

图3-12MQ-3环境条件

3.1.3霍尔传感器的选择

3.1.3.1霍尔效应

霍尔效应，指的是磁场作用于半导体或载流金属导体中的载流子时，而产生横向电势差的物理现象。

如果在一块矩形半导体薄片上沿x轴方向通上电流，且在z轴方向加上磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上就会产生电动势VH，这一现象称为霍尔效应。

VH称为霍尔电压。

产生霍尔效应的原因是电流做定向运动的带电粒子即载流子（P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴，N型半导体中的载流子是带负电荷的电子）在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的。

图3-13霍尔效应原理图

3.1.3.2霍尔效应的应用

（1）测量磁场：

（3-2）

利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪器——高斯计。

高斯计有别于传统的特斯垃计[28]。

高斯计探头里装上一个霍尔元件，在其里面是一个半导体薄片。

电势差用毫伏计来测量，电流和灵敏度也可以用相应仪器进行测量，将测得的结果带入该公式中就可以计算出磁感应的强度。

（2）磁流体发电：

从20世纪50年代末开始进行的关于研究磁流体发电技术是一项新型高效的发电方式。

磁流体又称为铁磁流体、磁性液体或者磁液，它是由强磁性粒子、媒体以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定性胶状溶液。

该溶液在静态时，无磁性吸引力，但当外加磁场作用时，就会表现出磁性。

其根本原理是利用等离子体的霍尔效应，即当带有磁流体的等离子体横切过磁场时，在磁力线的切割作用下产生电流。

（3）电磁无损探伤：

该原理是利用霍尔元件检测铁磁性材料的高磁导率在该泄漏磁场磁感应强度的信号变化，该传感器可获得多通道输出稳定一致的被检零件局部缺陷无损探伤的信号，从而可以有效地探测出缺陷存在位置。

该方法可靠、安全、实用，被广泛应用于设备故障诊断中[30]。

（4）霍尔传感器：

其是以霍尔效应原理构建的霍尔组件、霍尔元件、霍尔集成电路，简称为霍尔传感器。

在应用中，可利用霍尔电压和外加磁场成正比例的线性关系制作成多种可测量线性的传感器。

在日常生活中，霍尔传感器大多应用在家电中，如可利用霍尔效应在动感检测器上面加一些电子线路就能制作成报警器[39]。

3.1.3.3霍尔传感器

本设计选用霍尔元件是OH137，该霍尔开关电路是根据客户对低成本高性能的实际要求而开发生产的一系列产品，其性能稳定可靠，应用领域非常广泛。

电路内部由霍尔电压发生器、电压调整器、反向电压保护器、史密特触发器、差分放大器以及集电极开路输出级等组成，能够有效的将变化磁场讯号转变成数字电压信号输出。

图3-14霍尔传感器外观图

图3-15霍尔传感器实物图

图3-16霍尔传感器引脚图

3.1.4数字触摸传感器模块的选择

根据防止疲劳驾驶部分的设计需要，本设计选用的数字触摸传感器模块是TTP223来代替电容式触摸传感器。

TTP223是触摸键检测IC，其可以提供1个触摸键。

该触摸键具有低功耗和宽工作电压等特点。

其具体特点如下图3-17所示：

图3-17TTP223具体特点图

图3-18TTP223方块图

3.1.4.1TTP223的引脚说明

图3-19显示了TTP223数字触摸传感器模块的引脚功能。

图3-19TTP223引脚说明

图3-20TTP223实物图

3.1.4.2输出模式

TTP223数字触摸传感器模块输出模式可以选择，具体方法是，用锡短路板子的A或B焊盘，就可以改变其输出的模式，其中短路表示为1，断开表示为0。

如下图3-21所示：

图3-21TTP223输出模式图

其中，在实际焊接使用只需要关注三个引脚。

1脚为电源端，2脚为输出端，3脚为接地端。

3.1.5模数转换芯片的选择

3.1.5.1模数转换的类型

在数字电路里，电平只有高、低两种状态，例如5V和0V，对应着1和0；在模拟电路里，理论上电平有无数多个状态，例如0V、0.1V、0.2V等。

模数转换，又称为A/D转换，就是将模拟电平在数字电路里表示出来。

常用的模数转换类型共有三种，分别是：

积分型、并行比较型/串并行型、逐次逼近型。

（1）积分型：

积分型模数转换的工作原理是，将输入的电压转换成时间或频率，然后根据定时器/计数器来获得数字值。

其具有用简单电路获得高分辨率等优点，但其转换的速率极低，这也是近年来逐步被淘汰的主要原因。

（2）并行比较型/串并行比较型：

　　并行比较型模数转换采用多个比较器，仅进行一次比较就实行转换。

由于其转换速率极高，n位的转换就需要2n-1个比较器，因此其电路规模极大，价格偏高。

　串并行比较型模数转换的结构是介于逐次比较型和并行型两者之间的，其中最为典型的就是由2个n/2位的并行型模数转换器配合数模转换器组成，运用两次比较实现转换。

从转换时序角度来看，又可称之为流水线型AD。

现阶段在分级型AD中，还加入了多次转换结果作数字量运算时并加以其修正特性的功能。

（3）逐次比较型：

逐次比较型模数转换是由一个DA转换器和比较器通过逐次比较的逻辑构成，从MSB开始，有顺序地对每一位即将要输入的电压和内置的DA转换器输出进行比较，经过n次比较，可以输出数字值。

其优点是，功耗低、速度较高。

3.1.5.2模数转换的主要技术指标

（1）分辩率：

是指，数字量变化一个最小的量时，模拟信号的变化量。

其定义为，满刻度与2n的比值，通常以数字信号的位数来进行表示。

（2）转换速率：

是指，完成一次从模拟转换为数字的模数转换所需要时间的倒数。

积分型模数转换的时间是毫秒级，属于低速AD；逐次比较型模数转换是微秒级，属中速AD；全并行/串并行型模数转换可以达到纳秒级。

采样时间是指两次转换的间隔差。

为了有效保证转换的正确实现，采样速率必须小于或等于转换速率。

其常用单位是ksps和Msps，表示的意义是，每秒采样千/百万次。

3.1.5.3ADC0832的主要参数

本设计选用ADC0832作为模数转换芯片，其主要技术指标如下：

（1）8位分辨率，其最高分辨可达256级，属于模数转换逐次逼近型。

（2）5V电源供电时，其参考基准电压为5V，输入的模拟电压范围为0~5V。

（3）一般功耗为15mW。

（4）具有两个可供选择的模拟输入通道。

（5）输入和输出的电平与TTL、CMOS兼容。

（6）在250KHz时钟频率下，其转换时间为32µs。

（7）具有双数据输出作为数据校验来减少数据误差，其转换速度快且稳定性能强。

（8）具有独立的芯片使能端输入，使得更多器件可以挂接，处理器控制也更加方便。

（9）通过DI数据输入端可以轻易实现通道功能的选择。

（10）ADC0832与单片机的接口有4条数据线，分别是CS、DO、DI、CLK。

3.1.5.4ADC0832的引脚说明

图3-22ADC0832引脚

（1）

：

片选使能端，低电平有效。

（2）CHO：