防酒駕和防疲勞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

每年全球的道路交通事故多達(dá)10億次，占到了全球安全事故的90%[1]，而酒后駕駛和疲勞駕駛是造成道路交通事故的重要原因。國(guó)內(nèi)外在防止酒后駕駛上進(jìn)行了廣泛而深入的駕駛安全研究工作。發(fā)表的論文在設(shè)計(jì)防酒駕系統(tǒng)的時(shí)候，大都是駕駛員一旦進(jìn)入駕駛室，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)并使車輛點(diǎn)火開關(guān)處于斷電狀態(tài)，但忽略了車門未關(guān)上時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響以及出現(xiàn)他人代為啟動(dòng)車輛的情況發(fā)生。而國(guó)內(nèi)外對(duì)疲勞駕駛的研究還停留在理論和方法的探索上，沒(méi)有系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和完善的解決方案[2]。此外，目前關(guān)于防止酒后駕駛和防止疲勞駕駛的安全系統(tǒng)都是相互獨(dú)立的，這也導(dǎo)致了資源浪費(fèi)和車輛安全系統(tǒng)的復(fù)雜性。

因此，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提供了一種體積小、便于安裝、成本低、簡(jiǎn)單有效具有自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警功能的智能防酒駕和防疲勞系統(tǒng)，能有效地減少酒駕和疲勞駕駛情況的發(fā)生，給司機(jī)和行人帶來(lái)保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾傳感器、觸摸傳感器、酒精氣敏傳感器的信號(hào)處理，主要由STC89C51單片機(jī)模塊、電源模塊、霍爾傳感器電路、觸摸傳感器模塊、酒精氣敏傳感器模塊、微動(dòng)開關(guān)、報(bào)警電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、邏輯門電路、LCD顯示模塊等組成，如圖1所示。具有功耗低、自動(dòng)檢測(cè)、智能化、兼具有防酒駕和防瞌睡功能等特點(diǎn)，將系統(tǒng)安裝在車輛上，可以實(shí)現(xiàn)防止酒后駕駛和防止瞌睡駕駛的功能。結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)分為控制啟動(dòng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)部分、防止疲勞駕駛部分和防止酒后駕駛部分三大部分，由電源模塊對(duì)防止疲勞駕駛部分進(jìn)行電源供電，由從單片機(jī)和霍爾傳感器共同控制防止酒后駕駛部分的電源：

1）控制啟動(dòng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)部分，主要是利用霍爾傳感器和從單片機(jī)檢測(cè)到的微動(dòng)開關(guān)信號(hào)構(gòu)成正順序狀態(tài)給防止酒后駕駛部分供電。

2）防止疲勞駕駛部分，主要是利用電容式觸摸傳感器構(gòu)成的數(shù)字觸摸傳感器模塊進(jìn)行信號(hào)采集并通過(guò)從單片機(jī)對(duì)報(bào)警電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。

3）防止酒后駕駛部分，主要是利用酒精濃度傳感器檢測(cè)車內(nèi)酒精濃度進(jìn)行信號(hào)采集并通過(guò)主單片機(jī)對(duì)報(bào)警電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 霍爾傳感器電路

霍爾傳感器電路包含的元器件有：OH137霍爾傳感器、820Ω電阻和22pF電容各2個(gè)、一個(gè)或非門。

兩個(gè)霍爾傳感器分別安裝在車輛的兩個(gè)前門門框上面，在車門的合適位置安裝有磁性材料。當(dāng)門打開時(shí)，磁性材料遠(yuǎn)離霍爾傳感器，此時(shí)霍爾傳感器輸出一個(gè)高電平，反之，霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平。霍爾傳感器輸入的信號(hào)通過(guò)或非門輸出。

2.2 觸摸傳感器模塊電路

考慮到穩(wěn)定性、靈敏性、選擇性、低功耗和寬電壓，設(shè)計(jì)選用TTP223型數(shù)字觸摸傳感器模塊作為電容式觸摸傳感器模塊，并選用3個(gè)觸摸傳感器模塊放置在方向盤上，輸出的信號(hào)輸入CD4002并由管腳1輸入到從單片機(jī)中。將模塊的A和B焊盤斷開，管腳Q的功能選擇是直接模式、高電平有效CMOS輸出，管腳OPDO的功能選擇是直接模式、高電平有效漏極開路輸出。

模塊的管腳1接5V電源模塊，管腳2為輸出端，管腳3為接地端。

圖2 觸摸傳感器模塊電路圖

2.3 酒精氣敏傳感器模塊電路

設(shè)計(jì)選用MQ3型酒精傳感器，探測(cè)空氣中酒精溶度范圍100×10-9～2000×10-9，濃度上限值為0.2%，主要包括兩個(gè)部分，信號(hào)輸出回路和加熱回路，可以將酒精含量準(zhǔn)確的通過(guò)傳感器表面的電阻變化進(jìn)行反映，并通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻上的有效電壓信號(hào)輸出模擬電壓量[3,4]。將模擬信號(hào)通過(guò)放大器LM393進(jìn)行放大，輸入到ADC0832中。MQ3型酒精傳感器在接觸到酒精氣體之后，A端和B端之間的電阻值發(fā)生改變，并且當(dāng)酒精濃度越大，B點(diǎn)電位越高，經(jīng)放大器獲得的電壓也越大[5]。

圖3 酒精氣敏傳感器模塊電路圖

2.4 A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路

設(shè)計(jì)選用模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832將放大后得到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入到主單片機(jī)中。ADC0832與單片機(jī)之間的接口有4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、DO、DI、CLK。但DO端與DI端在通信時(shí)，并不是同時(shí)有效且與單片機(jī)的接口是雙向的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將DO和DI并聯(lián)在同一根數(shù)據(jù)線上使用。

2.5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)選用的電磁繼電器是JQC-3F電磁繼電器。該繼電器由5V直流電源供電，共有5個(gè)引腳，包括公共腳、常閉引腳和常開引腳各1個(gè)及一對(duì)線圈引腳。

繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置有一個(gè)自鎖開關(guān)，其一端接電源，另一端和74HC08輸入端相連。當(dāng)車內(nèi)酒精濃度沒(méi)有超標(biāo)或者駕駛員沒(méi)有處于疲勞駕駛狀態(tài)時(shí)，輸入繼電器驅(qū)動(dòng)電路中的74HC32輸出一個(gè)低電平，74HC08輸出一個(gè)低電平，由IN9013構(gòu)成的復(fù)合管不導(dǎo)通繼電器線圈不得電，所對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管亮，表示車輛可以正常啟動(dòng)。當(dāng)車輛未行駛時(shí)，車內(nèi)酒精濃度超過(guò)閾值，驅(qū)動(dòng)電路中的74HC32輸出一個(gè)高電平，復(fù)合管導(dǎo)通，繼電器線圈得電。繼電器的常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)不能正常運(yùn)行，車輛不能啟動(dòng)。當(dāng)車輛行駛過(guò)程中，車內(nèi)酒精濃度超過(guò)閾值或者駕駛員處于疲勞狀態(tài)，通過(guò)74HC32輸出的高低電平變化，將電機(jī)減速，直至停止。

發(fā)光二極管B可以顯示繼電器工作的狀態(tài)。

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

2.6 報(bào)警電路

系統(tǒng)選擇了蜂鳴器報(bào)警電路。當(dāng)車內(nèi)酒精濃度超出閾值或者駕駛員處于疲勞狀態(tài)駕駛時(shí)，蜂鳴器都會(huì)予以報(bào)警提醒。

報(bào)警電路包含的元器件有或門、有源蜂鳴器和PNP三極管各一個(gè)等。或門的輸入端分別接入防止疲勞駕駛部分的信號(hào)和防止酒后駕駛部分的信號(hào)。當(dāng)車內(nèi)酒精濃度超出閾值或者駕駛員處于疲勞狀態(tài)駕駛時(shí)，或門輸出一個(gè)高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器開始報(bào)警。反之，蜂鳴器不報(bào)警。

2.7 控制啟動(dòng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)部分

該部分電路包括：從單片機(jī)控制部分電路、霍爾傳感器電路、邏輯門電路，以及其他元器件構(gòu)成的電路。

在駕駛座上安放一個(gè)微動(dòng)開關(guān)用于檢測(cè)駕駛員是否已經(jīng)在座位上，當(dāng)車門關(guān)上時(shí)，霍爾傳感器電路中的或非門輸出一個(gè)高電平。當(dāng)微動(dòng)開關(guān)被按下時(shí)，從單片機(jī)檢測(cè)到一個(gè)低電平信號(hào)，P2.0輸出一個(gè)高電平。這兩個(gè)高電平作為與門的輸入端，此時(shí)NPN型三極管導(dǎo)通，從而給防止酒后駕駛部分進(jìn)行電源供電。

2.8 防止酒后駕駛部分

該部分電路包括：主單片機(jī)控制部分電路、酒精氣敏傳感器模塊、邏輯門電路、報(bào)警電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、IIC存儲(chǔ)器、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、LCD1602顯示模塊，以及其他元器件構(gòu)成的電路。

當(dāng)控制啟動(dòng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)部分開始工作時(shí)，防止酒后駕駛部分開始得電，MQ-3酒精濃度傳感器開始得電處于加熱狀態(tài)，當(dāng)加熱完成之后，LCD會(huì)顯示設(shè)定的酒精濃度閾值和空氣中的酒精濃度。主單片機(jī)將信號(hào)通過(guò)邏輯門電路對(duì)報(bào)警電路進(jìn)行控制并通過(guò)主單片機(jī)P2.4口輸入到或門中，從而控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路。此外，根據(jù)對(duì)接入GPS定位模塊、GSM模塊的需要，主單片機(jī)可以通過(guò)IIC存儲(chǔ)器將設(shè)定的酒精濃度閾值和GPS定位模塊、GSM模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在AT2402中。

2.9 防止疲勞駕駛部分

該部分電路包括：從單片機(jī)控制部分電路、觸摸傳感器模塊、邏輯門電路、報(bào)警電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路，以及其他元器件構(gòu)成的電路。

將觸摸傳感器模塊等120°安裝在方向盤上。當(dāng)駕駛員觸摸在觸摸傳感器模塊LC面時(shí)，模塊的信號(hào)經(jīng)過(guò)或非門給從單片機(jī)輸入一個(gè)低電平，從單片機(jī)的P2.3端口輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)非門變成低電平輸出。輸出的信號(hào)分為兩路，一路直接控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路，另一路通過(guò)自鎖開關(guān)控制蜂鳴器報(bào)警電路。當(dāng)超過(guò)時(shí)間閾值仍沒(méi)有觸摸LC面時(shí)，報(bào)警器報(bào)警，繼電器驅(qū)動(dòng)電路不工作或者做減速工作。此外，在從單片機(jī)P3.2、P3.3端口各設(shè)置一個(gè)微動(dòng)開關(guān)，微動(dòng)開關(guān)一端接地。當(dāng)按壓一次與P3.2端口相連的微動(dòng)開關(guān)時(shí)表示時(shí)間閾值加5S，當(dāng)按壓一次與P3.3端口相連的微動(dòng)開關(guān)時(shí)表示時(shí)間閾值減5S。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，模塊化程序設(shè)計(jì)，在兼顧實(shí)時(shí)性處理的同時(shí)，也方便了對(duì)數(shù)據(jù)的處理。主要包括主單片機(jī)和從單片機(jī)程序設(shè)計(jì)[6～8]。

3.1 主單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖5 主程序流程圖

主單片機(jī)程序流程如圖5所示，主單片機(jī)開始系統(tǒng)初始化，讀取AT2402中存入的上次酒精濃度閾值數(shù)據(jù)，可通過(guò)按鍵調(diào)整酒精濃度閾值數(shù)據(jù)并傳入到AT2402。啟動(dòng)ADC0832采集空氣中的酒精含量，處理數(shù)據(jù)，LCD液晶顯示及進(jìn)行報(bào)警。檢測(cè)到的信號(hào)輸入到或門中對(duì)繼電器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。

3.2 從單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

從單片機(jī)程序流程如圖6所示，從單片機(jī)開始系統(tǒng)初始化，檢測(cè)CD4002輸出的信號(hào)，從單片機(jī)輸出的信號(hào)與霍爾傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)74HC08控制防止酒后駕駛部分的供電。

圖6 主程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要用來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)用性以及存在的問(wèn)題。為了達(dá)到測(cè)試效果，確定系統(tǒng)的實(shí)用性和可實(shí)現(xiàn)性，在防止疲勞駕駛部分：通過(guò)設(shè)有自鎖開關(guān)，可以打開和關(guān)閉系統(tǒng)的防止疲勞駕駛功能，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的防止酒后駕駛功能，通過(guò)加入按鍵調(diào)整觸摸時(shí)間間隔閾值，方便用戶自己設(shè)定反應(yīng)時(shí)間，驗(yàn)證防止疲勞駕駛功能；在防止酒后駕駛部分：通過(guò)加入按鍵調(diào)整酒精濃度閾值，驗(yàn)證酒精氣敏傳感器和AT2402的功能；在驅(qū)動(dòng)電路中：通過(guò)繼電器的工作和其對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管來(lái)代替車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，通過(guò)自鎖開關(guān)代替車鑰匙，按下開關(guān)相當(dāng)于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)物圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的研究和測(cè)試的結(jié)果顯示，基本上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)能夠通過(guò)霍爾傳感器和主駕駛座位下面的微動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)防止酒后駕駛部分供電，并確保車門關(guān)上、駕駛員坐在座位上。在車輛未行駛時(shí)，通過(guò)觸摸傳感器可以在檢測(cè)駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)的同時(shí)也可以控制報(bào)警電路和使發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)，通過(guò)酒精氣敏傳感器可以在實(shí)時(shí)檢測(cè)酒精含量的同時(shí)也可以控制報(bào)警電路和使發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。在車輛行駛過(guò)程中，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其強(qiáng)行減速直至停止。同時(shí)系統(tǒng)預(yù)留了一定的I/O口，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以加裝一些車輛輔助系統(tǒng)，如車速檢測(cè)、GPS定位、短信發(fā)送等功能[9,10]。

系統(tǒng)解決了車門未關(guān)上時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響以及出現(xiàn)他人代為啟動(dòng)車輛的情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了兼具防酒駕和防瞌睡的功能，體積小、成本低、簡(jiǎn)單有效便于安裝，只需稍微改進(jìn)就能應(yīng)用到車載中，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值和社會(huì)意義。