（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)計防酒駕系統(tǒng)的時候，大都是駕駛員一旦進(jìn)入駕駛室，系統(tǒng)自動啟動并使車輛點(diǎn)火開關(guān)處于斷電狀態(tài)，但忽略了車門未關(guān)上時對測量結(jié)果的影響以及出現(xiàn)他人代為啟動車輛的情況發(fā)生。而國內(nèi)外對疲勞駕駛的研究還停留在理論和方法的探索上，沒有系統(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)計的系統(tǒng)提供了一種體積小、便于安裝、成本低、簡單有效具有自動檢測和報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)和行人帶來保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心實(shí)現(xiàn)對霍爾傳感器、觸摸傳感器、酒精氣敏傳感器的信號處理，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、微動開關(guān)、報警電路、繼電器驅(qū)動電路、邏輯門電路、LCD顯示模塊等組成，如圖1所示。具有功耗低、自動檢測、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)檢測到的微動開關(guān)信號構(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)行信號采集并通過從單片機(jī)對報警電路和繼電器驅(qū)動電路進(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車內(nèi)酒精濃度進(jìn)行信號采集并通過主單片機(jī)對報警電路和繼電器驅(qū)動電路進(jìn)行控制。

2 主要硬件電路設(shè)計

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、一個或非門。

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

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個觸摸傳感器模塊放置在方向盤上，輸出的信號輸入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)計選用MQ3型酒精傳感器，探測空氣中酒精溶度范圍100×10-9～2000×10-9，濃度上限值為0.2%，主要包括兩個部分，信號輸出回路和加熱回路，可以將酒精含量準(zhǔn)確的通過傳感器表面的電阻變化進(jìn)行反映，并通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻上的有效電壓信號輸出模擬電壓量[3,4]。將模擬信號通過放大器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，并不是同時有效且與單片機(jī)的接口是雙向的，因此在設(shè)計時將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)動電路

設(shè)計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個引腳，包括公共腳、常閉引腳和常開引腳各1個及一對線圈引腳。

繼電器驅(qū)動電路設(shè)置有一個自鎖開關(guān)，其一端接電源，另一端和74HC08輸入端相連。當(dāng)車內(nèi)酒精濃度沒有超標(biāo)或者駕駛員沒有處于疲勞駕駛狀態(tài)時，輸入繼電器驅(qū)動電路中的74HC32輸出一個低電平，74HC08輸出一個低電平，由IN9013構(gòu)成的復(fù)合管不導(dǎo)通繼電器線圈不得電，所對應(yīng)的發(fā)光二極管亮，表示車輛可以正常啟動。當(dāng)車輛未行駛時，車內(nèi)酒精濃度超過閾值，驅(qū)動電路中的74HC32輸出一個高電平，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。當(dāng)車輛行駛過程中，車內(nèi)酒精濃度超過閾值或者駕駛員處于疲勞狀態(tài)，通過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)動電路圖

2.6 報警電路

系統(tǒng)選擇了蜂鳴器報警電路。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，蜂鳴器都會予以報警提醒。

報警電路包含的元器件有或門、有源蜂鳴器和PNP三極管各一個等。或門的輸入端分別接入防止疲勞駕駛部分的信號和防止酒后駕駛部分的信號。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，或門輸出一個高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器開始報警。反之，蜂鳴器不報警。

2.7 控制啟動系統(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微動開關(guān)用于檢測駕駛員是否已經(jīng)在座位上，當(dāng)車門關(guān)上時，霍爾傳感器電路中的或非門輸出一個高電平。當(dāng)微動開關(guān)被按下時，從單片機(jī)檢測到一個低電平信號，P2.0輸出一個高電平。這兩個高電平作為與門的輸入端，此時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、報警電路、繼電器驅(qū)動電路、IIC存儲器、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)控制啟動系統(tǒng)處于工作狀態(tài)部分開始工作時，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)將信號通過邏輯門電路對報警電路進(jìn)行控制并通過主單片機(jī)P2.4口輸入到或門中，從而控制繼電器驅(qū)動電路。此外，根據(jù)對接入GPS定位模塊、GSM模塊的需要，主單片機(jī)可以通過IIC存儲器將設(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、報警電路、繼電器驅(qū)動電路，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，模塊的信號經(jīng)過或非門給從單片機(jī)輸入一個低電平，從單片機(jī)的P2.3端口輸出的信號經(jīng)過非門變成低電平輸出。輸出的信號分為兩路，一路直接控制繼電器驅(qū)動電路，另一路通過自鎖開關(guān)控制蜂鳴器報警電路。當(dāng)超過時間閾值仍沒有觸摸LC面時，報警器報警，繼電器驅(qū)動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)置一個微動開關(guān)，微動開關(guān)一端接地。當(dāng)按壓一次與P3.2端口相連的微動開關(guān)時表示時間閾值加5S，當(dāng)按壓一次與P3.3端口相連的微動開關(guān)時表示時間閾值減5S。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行編程，模塊化程序設(shè)計，在兼顧實(shí)時性處理的同時，也方便了對數(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[6～8]。

3.1 主單片機(jī)程序設(shè)計

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)，可通過按鍵調(diào)整酒精濃度閾值數(shù)據(jù)并傳入到AT2402。啟動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)行報警。檢測到的信號輸入到或門中對繼電器驅(qū)動電路進(jìn)行控制。

3.2 從單片機(jī)程序設(shè)計

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CD4002輸出的信號，從單片機(jī)輸出的信號與霍爾傳感器輸出的信號通過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)測試

系統(tǒng)測試主要用來檢驗系統(tǒng)的實(shí)用性以及存在的問題。為了達(dá)到測試效果，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，從而驗證系統(tǒng)的防止酒后駕駛功能，通過加入按鍵調(diào)整觸摸時間間隔閾值，方便用戶自己設(shè)定反應(yīng)時間，驗證防止疲勞駕駛功能；在防止酒后駕駛部分：通過加入按鍵調(diào)整酒精濃度閾值，驗證酒精氣敏傳感器和AT2402的功能；在驅(qū)動電路中：通過繼電器的工作和其對應(yīng)的發(fā)光二極管來代替車輛發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況，通過自鎖開關(guān)代替車鑰匙，按下開關(guān)相當(dāng)于對系統(tǒng)進(jìn)行供電。

圖7 系統(tǒng)測試實(shí)物圖

5 結(jié)論

通過對系統(tǒng)功能的研究和測試的結(jié)果顯示，基本上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計要求。系統(tǒng)能夠通過霍爾傳感器和主駕駛座位下面的微動開關(guān)實(shí)現(xiàn)對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，通過觸摸傳感器可以在檢測駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)的同時也可以控制報警電路和使發(fā)動機(jī)不能啟動，通過酒精氣敏傳感器可以在實(shí)時檢測酒精含量的同時也可以控制報警電路和使發(fā)動機(jī)不能啟動。在車輛行駛過程中，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對其強(qiáng)行減速直至停止。同時系統(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、GPS定位、短信發(fā)送等功能[9,10]。

系統(tǒng)解決了車門未關(guān)上時對測量結(jié)果的影響以及出現(xiàn)他人代為啟動車輛的情況發(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)的使用價值和社會意義。