一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计

一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清I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，单片机一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清IIABSTRACTWitheconomicdevelopment,Urbanconstructioncontinuestoexpandthescaleofcountries,people'slivingstandardsgreatlyimproved.Inthisprocess,ifthedefaultvalueisexceeded,therelaydrivercircuitdoesnotstartandbuzzeralarm.Keywords:Drinkdriving,drowsydriving,MQ-3sensor，digitaltouchsensormodule,microcontroller一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清III目录1绪论-------------------------------------------------------------------------------------11.1引言---------------------------------------------------------------11.2课题研究的背景与意义-----------------------------------------------11.3课题国内外的研究现状-----------------------------------------------11.4课题研究内容-------------------------------------------------------22系统的工作原理与结构-------------------------------------------------------------32.1系统的工作原理-----------------------------------------------------32.2系统的结构---------------------------------------------------------32.3系统的结构特点-----------------------------------------------------33系统的硬件设计----------------------------------------------------------------------43.1元器件的选择-------------------------------------------------------43.2硬件电路的设计----------------------------------------------------253.3系统的硬件电路设计------------------------------------------------304系统软件设计-----------------------------------------------------------------------314.1软件开发工具------------------------------------------------------314.2程序流程----------------------------------------------------------315系统调试与分析--------------------------------------------------------------------335.1硬件调试----------------------------------------------------------335.2软件调试与分析----------------------------------------------------336结论-----------------------------------------------------------------------------------35参考文献--------------------------------------------------------------------------------36致谢-----------------------------------------------------------------------------------38一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清11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，继而可局部一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清2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：一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清32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系统的结构系统控制启动系统处于工作状态部分防止疲劳驾驶部分防止酒后驾驶部分图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。一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清43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：一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计—朱正清5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：