中北大學(xué)朔州校區(qū) 李曉東 孟 青

基于三軸陀螺儀和傾角傳感器設(shè)計(jì)的汽車智能輔助駕駛儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中北大學(xué)朔州校區(qū) 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(fā)生率也逐年遞增。數(shù)據(jù)顯示，酒后駕駛和疲勞駕駛是引發(fā)重大交通事故的主要原因。項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款汽車智能輔助駕駛儀，可以自動(dòng)檢測司機(jī)上車前人體酒精含量和開車時(shí)的疲勞度。系統(tǒng)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(lán)牙無線技術(shù)作為輔助駕駛儀發(fā)射端和接收端的通信方式，不受方向和障礙物的影響。系統(tǒng)實(shí)用性很強(qiáng)，體積小，質(zhì)量輕，成本低，適合于大批量生產(chǎn)。能夠有效降低交通事故的發(fā)生率，為我們安全行車保駕護(hù)航。

藍(lán)牙技術(shù)；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(fā)交通事故的數(shù)量明顯增加，這引起了廣大國內(nèi)外學(xué)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(jìn)行之中。目前總的來說，對(duì)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(jī)自我記錄、斯坦福睡眠尺度表（代號(hào)SSS）、睡眠習(xí)慣調(diào)查表以及主觀調(diào)查表這四種方法?？陀^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(dòng)脈血液氧飽和時(shí)的溫度測量等。雖然上述方法的檢測準(zhǔn)確率可以接受，但卻都存在以下幾個(gè)明顯的缺陷：（1）不具有實(shí)時(shí)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(nèi)安裝復(fù)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(jìn)入駕駛室之前和離開駕駛室之后的精神狀態(tài)是不同的，導(dǎo)致檢測結(jié)果會(huì)受到較大的影響。

因此，全球的研究人員都希望設(shè)計(jì)并開發(fā)出一種快速的、實(shí)時(shí)的、價(jià)格低廉、有效且可靠的車載疲勞檢測系統(tǒng)。

目前被應(yīng)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(jìn)行血液酒精含量檢測。從理論上說，最準(zhǔn)確的方法應(yīng)該是這種方法。但在此設(shè)計(jì)中，要現(xiàn)場抽取血液顯然是不現(xiàn)實(shí)的且驗(yàn)血需要很長時(shí)間。2）“吹測”是依靠電化學(xué)原理的呼氣式酒精檢測儀進(jìn)行現(xiàn)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(nèi)酒精含量的多少與紅外輻射的吸收情況有著密切的聯(lián)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(nèi)的酒精含量是否超標(biāo)，從檢測到產(chǎn)生結(jié)果只需60秒。但這種方法成本較高，而且目前技術(shù)不是很成熟，不宜量產(chǎn)。

通過分析三種傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yōu)點(diǎn)。搭載的ADXL345能夠?qū)崟r(shí)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(dǎo)致觸發(fā)警報(bào)，還能提醒那些喜歡交頭接耳，不專心開車的“老司機(jī)”要注意前方路況，安全駕駛。而且，此駕駛儀會(huì)每隔1小時(shí)短振動(dòng)一次，每隔3小時(shí)長振動(dòng)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?cè)说木凭?，而不?huì)檢測乘客的酒精含量。如果酒精含量超標(biāo)將使用繼電器自動(dòng)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路，使車輛無法啟動(dòng)。

1 智能輔助駕駛儀的整體設(shè)計(jì)

智能輔助駕駛儀主要由單片機(jī)STC12C5A60S2，三軸陀螺儀和傾角傳感器ADXL345，振動(dòng)模塊，酒精檢測模塊和藍(lán)牙等模塊組成，如圖1所示。駕駛?cè)松宪嚧骱煤螅凭珯z測模塊一直工作，一旦檢測到酒精濃度超過閾值，就通過藍(lán)牙給輔助駕駛儀接收端發(fā)送指令，使其斷開啟動(dòng)電路，車輛無法啟動(dòng)。且此功能具有最高優(yōu)先級(jí)。在酒精濃度不超設(shè)定值時(shí)，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(xù)傾斜3次（每次均有震動(dòng)及聲音提醒），則證明駕駛?cè)藶槠隈{駛（分心駕駛），檢測儀通過藍(lán)牙向輔助駕駛儀接收端發(fā)送指令，使汽車雙閃打開，振動(dòng)器連續(xù)振動(dòng)，提示駕駛員要就近找安全地點(diǎn)停車，以防發(fā)生危險(xiǎn)。

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(fā)射端的設(shè)計(jì)

輔助駕駛儀發(fā)射端主要由扣式電源供電模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、酒精模塊、聲音模塊、藍(lán)牙模塊、振動(dòng)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(yōu)點(diǎn)。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(fā)射端框圖

圖3 智能汽車輔助駕駛儀發(fā)射端原理圖

3 智能輔助駕駛儀接收端的設(shè)計(jì)

輔助駕駛儀接收端主要由電源模塊、藍(lán)牙模塊、單片機(jī)、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(shè)計(jì)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(dǎo)率較低。當(dāng)MQ-3傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸汽時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度的增加在加熱狀態(tài)下而迅速增大。酒精濃度傳感器可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。它對(duì)乙醇?xì)怏w有很高的靈敏度和良好的選擇性、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性、長期的壽命和可靠的穩(wěn)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(jù)圖6可以看出MQ-3氣體傳感器特性曲線參數(shù)對(duì)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(dòng)及聲音模塊

聲音模塊選擇蜂鳴器做為聲源，質(zhì)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(dòng)模塊選擇2個(gè)手機(jī)的振動(dòng)電機(jī)，安放在左右兩側(cè)。振動(dòng)電機(jī)軸上面有一個(gè)偏心輪，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，偏心輪的圓心質(zhì)點(diǎn)不在電機(jī)的轉(zhuǎn)心上，使得電機(jī)處于不斷的失去平衡狀態(tài)，由于慣性作用而引起振動(dòng)。

圖9 震動(dòng)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(jì)，分辨率高(13位)，測量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)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?；顒?dòng)和非活動(dòng)檢測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測有無運(yùn)動(dòng)發(fā)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(gè)方向各設(shè)置一個(gè)閾值，表示頭部擺動(dòng)的正常范圍。當(dāng)角度大于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)會(huì)使振動(dòng)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(jī)則通過藍(lán)牙向輔助駕駛儀接收端發(fā)出指令，使車輛打開雙閃，提醒駕駛員選擇就近安全地點(diǎn)停車。

5 系統(tǒng)測試流程

焊接和調(diào)試結(jié)束后，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試流程圖如圖11所示。步驟如下

步驟一：打開發(fā)射端和接收端的開關(guān)，如果藍(lán)牙指示燈變?yōu)檫B續(xù)閃爍則發(fā)射端和接收端之間不匹配，執(zhí)行步驟二；否則執(zhí)行步驟三；

步驟二：重新開機(jī)或者設(shè)置特殊密碼，防止密碼太簡單，與其他藍(lán)牙設(shè)備誤連，直到指示燈變?yōu)?閃1滅，則匹配成功，執(zhí)行步驟三。

步驟三：功能測試。測試員飲酒后呼氣，測試系統(tǒng)是否會(huì)自動(dòng)關(guān)閉汽車電門，使車輛無法啟動(dòng)。如果成功則執(zhí)行步驟四；否則執(zhí)行步驟五；

步驟四：測試員頭部在適度的范圍內(nèi)擺動(dòng)，系統(tǒng)是否會(huì)振動(dòng)，報(bào)警且打開雙閃，如果是，則系統(tǒng)靈敏度太高，執(zhí)行步驟五；否則執(zhí)行步驟六；

步驟五：重新修改程序后執(zhí)行步驟六；步驟六：調(diào)試成功，測試結(jié)束。

圖11 測試流程圖

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)以MQ-3型還原性氣體元件作為酒精傳感器，結(jié)合ADXL345傾角傳感器，振蕩及報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)了酒精濃度超標(biāo)報(bào)警和疲勞駕駛報(bào)警的功能。經(jīng)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(shè)計(jì)簡單、功能完善、工作性能好的產(chǎn)品。該產(chǎn)品在不同需要使用中，可以選擇適當(dāng)?shù)撵`敏度進(jìn)行提醒。例如在對(duì)酒精濃度要求較高的場所，可以降低比較器LM393的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)有輕微酒精濃度升高就能進(jìn)行報(bào)警。另外在其它濃度要求不高的場所，可適當(dāng)提高基準(zhǔn)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(xué)本科，現(xiàn)就讀于中北大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)開發(fā)，自動(dòng)控制，嵌入式應(yīng)用等。