基于三軸陀螺儀和傾角傳感器設計的汽車智能輔助駕駛儀的設計與實現

中北大學朔州校區 李曉東 孟 青

基于三軸陀螺儀和傾角傳感器設計的汽車智能輔助駕駛儀的設計與實現

中北大學朔州校區 李曉東 孟 青

隨著汽車的人均持有量的增加，重大交通事故的發生率也逐年遞增。數據顯示，酒后駕駛和疲勞駕駛是引發重大交通事故的主要原因。項目設計了一款汽車智能輔助駕駛儀，可以自動檢測司機上車前人體酒精含量和開車時的疲勞度。系統選擇STC12C5A60S2作為主控芯片，ADXL345作為傾角傳感芯片，MQ-3作為酒精檢測模塊，采用藍牙無線技術作為輔助駕駛儀發射端和接收端的通信方式，不受方向和障礙物的影響。系統實用性很強，體積小，質量輕，成本低，適合于大批量生產。能夠有效降低交通事故的發生率，為我們安全行車保駕護航。

藍牙技術；傾角傳感器；酒精傳感器

0 引言

近年來由于駕駛員疲勞駕駛和酒后駕駛而引發交通事故的數量明顯增加，這引起了廣大國內外學者的高度重視，各種用來檢測駕駛員疲勞駕駛的研究都在積極的進行之中。目前總的來說，對疲勞駕駛的研究可以劃分為主觀和客觀兩種研究思路，其中主觀方面主要有司機自我記錄、斯坦福睡眠尺度表（代號SSS）、睡眠習慣調查表以及主觀調查表這四種方法。客觀研究方法則主要包括心、腦、眼、肌電圖、呼吸氣流和呼吸效果以及動脈血液氧飽和時的溫度測量等。雖然上述方法的檢測準確率可以接受，但卻都存在以下幾個明顯的缺陷：（1）不具有實時性，即它們都有一定的超前或滯后性。（2）在空間有限的駕駛室內安裝復雜的檢測儀器難度比較大。（3）成本高，不能滿足廣大人民的需求。（4）駕駛員進入駕駛室之前和離開駕駛室之后的精神狀態是不同的，導致檢測結果會受到較大的影響。

因此，全球的研究人員都希望設計并開發出一種快速的、實時的、價格低廉、有效且可靠的車載疲勞檢測系統。

目前被應用的酒精濃度檢測方法有“血檢”“吹測”、紅外檢測三種：1）“血檢”是抽血后依靠光譜分析進行血液酒精含量檢測。從理論上說，最準確的方法應該是這種方法。但在此設計中，要現場抽取血液顯然是不現實的且驗血需要很長時間。2）“吹測”是依靠電化學原理的呼氣式酒精檢測儀進行現場呼氣測試。這種方法簡單，方便。呼吸酒精測試儀只需1分鐘左右。3）紅外檢測是用紅外線照射人體，由于人體內酒精含量的多少與紅外輻射的吸收情況有著密切的聯系，因此通過觀察反射回的紅外輻射的光譜圖形，就可以獲知被檢測者血液內的酒精含量是否超標，從檢測到產生結果只需60秒。但這種方法成本較高，而且目前技術不是很成熟，不宜量產。

通過分析三種傳輸方式的優缺點和系統的設計要求，選擇“吹測”比較合適。

汽車智能輔助駕駛儀具有成本低，體積小，重量輕，使用方便等優點。搭載的ADXL345能夠實時檢測頭部傾角。它不僅能夠檢測到駕駛員由于疲勞而頭部傾角太大導致觸發警報，還能提醒那些喜歡交頭接耳，不專心開車的“老司機”要注意前方路況，安全駕駛。而且，此駕駛儀會每隔1小時短振動一次，每隔3小時長振動一次，使駕駛員始終頭腦清醒。除此之外，此輔助駕駛儀還有酒精檢測功能，它的高靈敏度使它只檢測駕駛人的酒精含量，而不會檢測乘客的酒精含量。如果酒精含量超標將使用繼電器自動切斷發動機啟動電路，使車輛無法啟動。

1 智能輔助駕駛儀的整體設計

智能輔助駕駛儀主要由單片機STC12C5A60S2，三軸陀螺儀和傾角傳感器ADXL345，振動模塊，酒精檢測模塊和藍牙等模塊組成，如圖1所示。駕駛人上車戴好后，酒精檢測模塊一直工作，一旦檢測到酒精濃度超過閾值，就通過藍牙給輔助駕駛儀接收端發送指令，使其斷開啟動電路，車輛無法啟動。且此功能具有最高優先級。在酒精濃度不超設定值時，如果傾角傳感器檢測到頭向任意方向（前后左右）中某一方向連續傾斜3次（每次均有震動及聲音提醒），則證明駕駛人為疲勞駕駛（分心駕駛），檢測儀通過藍牙向輔助駕駛儀接收端發送指令，使汽車雙閃打開，振動器連續振動，提示駕駛員要就近找安全地點停車，以防發生危險。

圖1 智能汽車輔助駕駛儀整體組成框圖

2 智能輔助駕駛儀發射端的設計

輔助駕駛儀發射端主要由扣式電源供電模塊、電壓轉換模塊、控制模塊、酒精模塊、聲音模塊、藍牙模塊、振動模塊組成。供電模塊采用兩片紐扣式鋰電池提供6V的電壓。鋰電池外形小，成圓形，厚度較薄，攜帶方便，而且具有壽命長的優點。組成框圖如圖2所示，原理圖如圖3所示。

圖2 智能汽車輔助駕駛儀發射端框圖

圖3 智能汽車輔助駕駛儀發射端原理圖

3 智能輔助駕駛儀接收端的設計

輔助駕駛儀接收端主要由電源模塊、藍牙模塊、單片機、繼電器模塊組成。接收端組成框圖如圖4所示，原理圖如圖5所示。

圖4 智能輔助駕駛儀接收端組成框圖

圖5 智能輔助駕駛儀接收端原理圖

4 各電路工作原理

4.1 酒精檢測模塊MQ-3

設計采用MQ-3型還原性氣體酒精傳感器。它的氣敏材料是二氧化錫（SnO2）在清潔空氣中電導率較低。當MQ-3傳感器所處環境中存在酒精蒸汽時，傳感器的電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加在加熱狀態下而迅速增大。酒精濃度傳感器可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的電壓輸出信號。它對乙醇氣體有很高的靈敏度和良好的選擇性、快速的響應恢復特性、長期的壽命和可靠的穩定性。其探測濃度范圍為0.05～10mg/L酒精，回路電壓和加熱電壓均為5V±0.1。

根據圖6可以看出MQ-3氣體傳感器特性曲線參數對Alcohol酒精氣體是最為敏感的，因而采用MQ-3氣體傳感器是非常合適的。圖7所示為酒精檢測原理圖。

圖6 MQ-3靈敏度特性曲線

圖7 酒精檢測原理圖

4.2 振動及聲音模塊

聲音模塊選擇蜂鳴器做為聲源，質量輕，體積小，可以放在后部。可通過編程，使其唱出任何曲子。

圖8 蜂鳴器原理圖

振動模塊選擇2個手機的振動電機，安放在左右兩側。振動電機軸上面有一個偏心輪，當電機轉動的時候，偏心輪的圓心質點不在電機的轉心上，使得電機處于不斷的失去平衡狀態，由于慣性作用而引起振動。

圖9 震動器原理圖

圖10 ADXL345原理圖

4.3 三軸陀螺儀和傾角傳感器模塊

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計，分辨率高(13位)，測量范圍達±16g。數字輸出數據為16位二進制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數字接口訪問。ADXL345非常適合移動設備應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。該器件提供多種特殊檢測功能。活動和非活動檢測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設置的閾值來檢測有無運動發生，所以這款模塊完全符合要求。圖10所示是ADXL345原理圖。

三軸陀螺儀和傾角傳感器模塊選擇ADXL345，在程序中分別在前后左右四個方向各設置一個閾值，表示頭部擺動的正常范圍。當角度大于設定閾值時，單片機會使振動器工作，提醒駕駛員要集中注意力。如果同方向超過3次，單片機則通過藍牙向輔助駕駛儀接收端發出指令，使車輛打開雙閃，提醒駕駛員選擇就近安全地點停車。

5 系統測試流程

焊接和調試結束后，對本系統進行了測試。測試流程圖如圖11所示。步驟如下

步驟一：打開發射端和接收端的開關，如果藍牙指示燈變為連續閃爍則發射端和接收端之間不匹配，執行步驟二；否則執行步驟三；

步驟二：重新開機或者設置特殊密碼，防止密碼太簡單，與其他藍牙設備誤連，直到指示燈變為2閃1滅，則匹配成功，執行步驟三。

步驟三：功能測試。測試員飲酒后呼氣，測試系統是否會自動關閉汽車電門，使車輛無法啟動。如果成功則執行步驟四；否則執行步驟五；

步驟四：測試員頭部在適度的范圍內擺動，系統是否會振動，報警且打開雙閃，如果是，則系統靈敏度太高，執行步驟五；否則執行步驟六；

步驟五：重新修改程序后執行步驟六；步驟六：調試成功，測試結束。

圖11 測試流程圖

6 結束語

本設計以MQ-3型還原性氣體元件作為酒精傳感器，結合ADXL345傾角傳感器，振蕩及報警電路實現了酒精濃度超標報警和疲勞駕駛報警的功能。經過測試，本智能汽車輔助駕駛儀能夠有效防止駕駛員疲勞駕駛和酒后駕駛，是一款電路設計簡單、功能完善、工作性能好的產品。該產品在不同需要使用中，可以選擇適當的靈敏度進行提醒。例如在對酒精濃度要求較高的場所，可以降低比較器LM393的基準電壓，當有輕微酒精濃度升高就能進行報警。另外在其它濃度要求不高的場所，可適當提高基準電壓，使靈敏度略為降低。

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李曉東（1994—），男，山西朔州人，大學本科，現就讀于中北大學電氣工程及其自動化專業，主要研究方向為單片機開發，自動控制，嵌入式應用等。