張俊芳，伏亞強(qiáng)，張方娟，張藝飛

（1.寧夏師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，寧夏固原 756000；2.寧夏師范學(xué)院納米結(jié)構(gòu)與多功能材料工程技術(shù)研究中心，寧夏固原 756000；3.西安汽車科技職業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)部，陜西西安 710038；4.深能保定發(fā)電有限公司，河北保定 072150）

根據(jù)國家交通部門統(tǒng)計(jì)分析，我國交通事故是世界的20%左右。疲勞駕駛是造成交通事故的主要因素之一[1-2]。所以研究出可以控制疲勞駕駛并及時(shí)給予警報(bào)的提醒系統(tǒng)，對于降低交通事故和保護(hù)國家財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。本車載疲勞駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是軟件控制和硬件實(shí)物。硬件實(shí)物包括3個(gè)部分：脈搏信號采集模塊、控制模塊、顯示和報(bào)警模塊。軟件控制主要用C語言編寫，為便于程序修改和調(diào)試而采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用的軟件主要是Keil、Proteus等。本設(shè)計(jì)符合汽車智能化的發(fā)展趨勢，也有效解決了疲勞駕駛安全、控制追尾問題，既滿足了大眾對實(shí)用型安全疲勞駕駛監(jiān)控系統(tǒng)的需求，又對企業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出疲勞駕駛監(jiān)控產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)駕駛員處于疲勞駕駛時(shí)候，血液的流通速率就會(huì)相應(yīng)的減緩,此時(shí)大腦出現(xiàn)昏迷狀態(tài)，注意力降低，出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn)頭情況。本設(shè)計(jì)中的脈搏監(jiān)控模塊中的光電傳感器ST188利用心臟跳動(dòng)時(shí)脈搏處的血液發(fā)生變化而產(chǎn)生不同的反射率，檢測到相應(yīng)的脈搏信號。由于測得信號非常微弱，且屬于不規(guī)則的脈沖信號，所以要通過信號放大與整形電路中的放大器LM358將信號放大。同時(shí)，又由于放大后的信號有不規(guī)則的脈沖信號和低頻干擾，所以信號還需要整形。將放大后的信號傳送給整形電路對其進(jìn)行整形，整形后得出方波信號。將方波信號通過單片機(jī)P3.2的IO接口輸入給單片機(jī)，單片機(jī)的外部中斷對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，脈搏信號的采集時(shí)間設(shè)定為10 s，10 s測得脈搏信號數(shù)值，然后通過單片機(jī)中設(shè)定的算法對其作出相應(yīng)的計(jì)算，即10 s的數(shù)值乘以6得出1 min的脈搏數(shù)目，最終換算出1 min脈搏跳動(dòng)的次數(shù)。例如10 s的時(shí)間光電傳感器測得血液的反射次數(shù)12次，即10 s內(nèi)脈搏跳動(dòng)了12下，通過單片機(jī)中算法得出12×6=72（下），這就是測得1 min脈搏跳動(dòng)的次數(shù)。單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算出的數(shù)據(jù)通過P0.0-P0.7口與顯示屏的DB0-DB7連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，傳送到LCD液晶顯示屏的數(shù)據(jù)將顯示脈搏跳動(dòng)的次數(shù)。如果檢測結(jié)果超出預(yù)先設(shè)定理論測量范圍，聲光報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警提示疲勞駕駛?cè)藛T。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為6大模塊。單片機(jī)主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。LCD1602液晶顯示模塊顯示初始狀態(tài)、數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。脈搏測量模塊以脈搏傳感器為信號采集，然后再經(jīng)過信號放大與整形電路獲得相應(yīng)信號波形。超聲波測距模塊主要有超聲波發(fā)射、接收探頭，超聲波發(fā)射調(diào)整電路，超聲波回波接收處理電路和相應(yīng)的模塊接口組成。電源模塊為系統(tǒng)提供電力保障。復(fù)位電路是系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或者要恢復(fù)初始狀態(tài)設(shè)計(jì)的電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要有主控電路、液晶顯示電路、復(fù)位電路和脈搏信號檢測電路組成。

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路的設(shè)計(jì)主要由STC89C52單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路組成。Proteus中的單片機(jī)主控電路仿真如圖2所示。

圖2 Proteus中的單片機(jī)主控電路仿真圖

由于電路在仿真過程中沒有相應(yīng)的脈搏信號，所以設(shè)置了按鍵模塊，用以模擬脈搏信號的輸入[3]。模擬脈搏信號的按鍵輸入電路如圖3所示。

圖3 模擬脈搏信號的按鍵輸入電路圖

按鍵模擬的人體脈搏跳動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號首先被光電傳感器ST188采集，采集得到的脈搏信號通過采集電路處理后，所測得的結(jié)果與單片機(jī)的P3.2引腳相連。將控制系統(tǒng)中單片機(jī)中斷觸發(fā)設(shè)定為負(fù)跳變觸發(fā)，當(dāng)按鍵模擬的脈搏跳動(dòng)產(chǎn)生的脈沖信號的下降沿到達(dá)時(shí)，主控系統(tǒng)中的單片機(jī)就會(huì)觸發(fā)產(chǎn)生中斷，設(shè)定算法程序會(huì)對脈沖信號開始計(jì)時(shí)，在下一個(gè)脈沖信號的下降沿出現(xiàn)時(shí)，主控系統(tǒng)中的單片機(jī)會(huì)計(jì)算出前后相鄰兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔ΔT，計(jì)算所得到的結(jié)果（即ΔT）就是被檢測駕駛員的一次脈搏跳動(dòng)。這就是模擬出的一次脈沖信號的跳動(dòng)原理。

計(jì)算出的結(jié)果通過單片機(jī)P1口與液晶顯示器的DB口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)再次進(jìn)行處理后顯示出來。

顯示屏顯示出檢測的脈搏值后，主控系統(tǒng)中的單片機(jī)將顯示出的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定人的正常脈搏跳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)范圍（60～100次/分）進(jìn)行分析和比較。如果檢測出的脈搏值A(chǔ)在60～100次/分內(nèi)，則說明該駕駛?cè)藛T脈搏正常，也就是該駕駛?cè)藛T沒有進(jìn)行危險(xiǎn)的疲勞駕駛行為；如果檢測出的脈搏值A(chǔ)＜60次/分（疲勞時(shí)心率一般＜60次/分），則說明該駕駛?cè)藛T脈搏不正常，即該駕駛?cè)藛T處于疲勞駕駛，聲光報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。脈搏監(jiān)控模塊的電路如圖4所示。

圖4 脈搏監(jiān)控模塊的電路圖

為了更好的提示駕駛?cè)藛T，并及時(shí)觀察顯示屏上的脈搏值，電路中設(shè)置了一個(gè)報(bào)警電路，通過單片機(jī)系統(tǒng)控制。每次檢測到脈沖信號時(shí)，與主控系統(tǒng)中單片機(jī)P3.7引腳連接的蜂鳴器SP都會(huì)發(fā)出“嘀嘀”提示音。當(dāng)再次聽到蜂鳴器發(fā)出相同的提示音時(shí)，則說明1 min的檢測脈搏計(jì)數(shù)已經(jīng)結(jié)束。使用這種檢測方法對駕駛?cè)藛T及時(shí)做出有效、高速、準(zhǔn)確的判斷，判斷他是否處于疲勞駕駛狀態(tài)。

為了更加準(zhǔn)確的檢測出相應(yīng)的結(jié)果，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效測量范圍為50～199次/分。在檢測脈搏信號時(shí)避免可能出現(xiàn)的干擾信號，主控系統(tǒng)單片機(jī)會(huì)對檢測的2個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔ΔT進(jìn)行檢測，也就是突發(fā)信號的出現(xiàn)不在預(yù)先設(shè)定的有效測量范圍之內(nèi)時(shí)，會(huì)忽略該干擾帶來的影響并且不顯示出來。這樣在實(shí)際運(yùn)用中會(huì)有效降低疲勞駕駛系統(tǒng)中的脈搏測量出現(xiàn)的不良誤差。

2.2 液晶顯示部分與STC89C52的接口

用STC89C52單片機(jī)P0口作為數(shù)據(jù)線，用P1.0、P1.1、P1.2分別作為LCD的RS、R/W、E。RS是寄存器選擇，R/W是讀寫引腳，E是使能端。在顯示模塊初始化時(shí)，清屏、設(shè)置8位數(shù)據(jù)接口位，1行顯示行，5×7點(diǎn)陣字型顯示，再設(shè)置整體顯示，最后設(shè)置正向增量方式且不移位[4]。Proteus環(huán)境中的單片機(jī)主控系統(tǒng)與液晶顯示器引腳連接如圖5所示。

2.3 脈搏檢測電路的設(shè)計(jì)

脈搏檢測電路模塊設(shè)計(jì)中最重要的是采集微弱的脈搏信號，所以采集微弱的脈搏信號電路的功能是由光電傳感器ST188將采集的脈搏信號轉(zhuǎn)換為電信號（幾十mV），因?yàn)檗D(zhuǎn)換后的電信號非常微弱（幾十mV），所以轉(zhuǎn)換后的電信號要通過放大電路對電信號進(jìn)行放大100倍，達(dá)到幾V的標(biāo)準(zhǔn)。又因?yàn)榉糯蠛蟮男盘柌ㄐ问遣灰?guī)則的脈沖信號波形，所以要對信號進(jìn)行濾波整形，整形后得出的方波信號電壓為幾V。信號經(jīng)過放大整形電路最后輸出的電壓滿足了計(jì)數(shù)器的要求。信號放大、濾波和整形電路框圖如圖6所示。

圖6 脈搏信號放大、濾波和整形電路框圖

人體脈搏信號的采集使用紅外光電轉(zhuǎn)換器ST188采集信號。嵌入在方向盤特定位置的紅外光電轉(zhuǎn)換器ST188中的紅外光發(fā)射端發(fā)射出紅外光，照射駕駛?cè)朔较虮P的指頭中血脈流動(dòng)情況，把脈搏跳動(dòng)的物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，其原理電路如圖7所示。

圖7 傳感器信號調(diào)節(jié)原理電路

因?yàn)楣怆妭鞲衅鱏T188模塊供電僅需要非常小的強(qiáng)電流供電（選用+5V電源），所以紅外管VD采用ST188模塊。傳感器信號調(diào)節(jié)原理電路中R4取值為330 K，R5取值為20 K。把光電傳感器放置特定的指尖脈搏之處，光電二極管檢測到的物理信號會(huì)隨人脈搏強(qiáng)度的變化而發(fā)生變化。

因檢測到的脈搏信號輸出值十分微弱，一般在μV級別，而且輸出的電信號一般有較大的噪聲干擾，因此需要利用LM358搭建一個(gè)放大和濾波電路將檢測的脈搏信號進(jìn)行放大、濾波。Proteus中的放大濾波電路如圖8所示。

圖8 放大濾波電路

檢測到的脈搏信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到電信號，電信號經(jīng)過了放大和濾波電路后仍然是不規(guī)則的脈沖信號，還有一些低頻干擾信號。這種信號不滿足計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的要求，所以需要對信號進(jìn)行相應(yīng)的整形，整形后得出具體的方波信號以便對脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。本設(shè)計(jì)的整形電路采用電壓比較器，放大濾波后的波形整形主要是為了提高抗干擾能力。因?yàn)長M358內(nèi)部含有2個(gè)獨(dú)立的高增益和內(nèi)部頻率補(bǔ)償電路，所以集成運(yùn)放采用了LM358模塊。為了直觀、有效地檢測脈搏的跳動(dòng)，在LM358上接一個(gè)LED燈用來指示檢測脈搏跳動(dòng)的狀態(tài)，LM358連接電路如圖9所示。

圖9 LM358連接電路

2.4 時(shí)鐘電路

在STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)中，它的時(shí)鐘電路有外部和內(nèi)部2種時(shí)鐘方式[5]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的時(shí)鐘頻率是12 MHz，電路需要三點(diǎn)式電容振蕩電路來幫助晶振起振，所以需要在時(shí)鐘電路兩端上接負(fù)載電容X1，這樣就能達(dá)到晶振起振的效果。在Proteus中XTAL2、XTAL1兩端分別接2個(gè)33pF的諧振電容，這樣是為了對特定頻率的電壓產(chǎn)生阻抗通道，方便不受阻抗的信號通過。在時(shí)鐘電路提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號后，單片機(jī)控制系統(tǒng)就能夠逐步從只讀存儲(chǔ)器（ROM）中讀取指令執(zhí)行程序，便于以后的計(jì)數(shù)。晶振電路如圖10所示。

2.5 復(fù)位電路

圖10 晶振電路

復(fù)位電路也是單片機(jī)控制系統(tǒng)中必要的外部電路[6]。單片機(jī)控制系統(tǒng)的部分電路中，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，RST的引腳需要保持2個(gè)周期的高電平輸入信號，復(fù)位過程才能夠完成。此時(shí)，CPU將發(fā)出內(nèi)部復(fù)位信號。在測得RST是高電平后的第二個(gè)周期時(shí)進(jìn)行的復(fù)位操作，在此之后，檢測的每個(gè)周期都將重復(fù)復(fù)位操作模式，直到檢測到RST變?yōu)榈碗娖綍r(shí)停止重復(fù)操作。正常情況下，電源供電電壓（Vcc）上升時(shí)間小于1 ms，內(nèi)部振蕩器啟用時(shí)間也是小于10 ms。此時(shí)，把RST的引腳通過10 μF的電容接到Vcc上再與10 kΩ的電阻和地連接，便能產(chǎn)生上電自動(dòng)復(fù)位。如圖11所示復(fù)位電路。

圖11 復(fù)位電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序及系統(tǒng)流程圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用C語言編程和Keil軟件開發(fā)工具，將系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行模塊化處理，其中各模塊具有分工明確的特點(diǎn)，主函數(shù)只需要調(diào)用相應(yīng)的模塊子程序。模塊化的設(shè)計(jì)方式能夠更好理清主程序思路，也方便于程序理解和其他功能的擴(kuò)展。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體流程如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體流程圖

3.2 檢測脈搏信號的子程序設(shè)計(jì)

脈搏測量是在定時(shí)器中斷中測量脈搏間隔得到的結(jié)果。主要是記錄第一次脈搏跳動(dòng)的時(shí)間并記錄下時(shí)間，當(dāng)下一次脈搏跳動(dòng)時(shí)再次記錄下時(shí)間，然后算出兩次脈搏跳動(dòng)的時(shí)間間隔。當(dāng)連續(xù)兩次檢測時(shí)間間隔小于8×50 ms=400 ms不處理，當(dāng)超過25×50 ms=1.25 s沒有檢測到信號，就停止信號的檢測，然后再由60 s除以時(shí)間間隔，得出相應(yīng)的脈搏數(shù)。

3.3 顯示子程序設(shè)計(jì)

顯示模塊程序首先要對顯示模塊進(jìn)行初始化，判斷是否有按鍵按下，并判斷按鍵按下的取鍵碼是什么。如果是數(shù)字鍵和清零鍵將相應(yīng)值送入顯示緩沖并顯示。如果按下功能鍵，就判斷是哪個(gè)功能鍵并將相應(yīng)值送入緩沖區(qū)等待數(shù)值輸入將結(jié)果送入緩沖區(qū)，等待數(shù)值輸入將結(jié)果顯示。如果功能鍵是函數(shù)，輸入數(shù)值后將結(jié)果送入緩沖區(qū)直接顯示。

4 系統(tǒng)的測試及分析

4.1 硬件測試

先用Proteus軟件繪制本系統(tǒng)的電路圖，然后用Keil軟件編寫模塊運(yùn)行的C程序，最后用仿真軟件進(jìn)行模擬仿真電路的運(yùn)行情況。在軟件測試中原理圖不會(huì)出錯(cuò)，主要是程序編寫中會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤以及一些函數(shù)功能無法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過多次程序的修改基本上達(dá)到預(yù)期效果。軟件調(diào)試如圖13所示。

圖13 軟件測試結(jié)果

4.2 軟件測試與分析

根據(jù)要求和軟件的流程圖，將編寫好的程序，通過生成Hex軟件，在Proteus軟件上進(jìn)行仿真，用軟件連接好硬件原理圖并測試（如圖14-圖16），運(yùn)行測試是否實(shí)現(xiàn)所需求的指標(biāo)。

圖14 按鍵模擬正常狀態(tài)下的脈搏檢測結(jié)果

圖15 按鍵模擬正常狀態(tài)下的脈搏檢測結(jié)果

圖16 按鍵模擬人在疲勞狀態(tài)時(shí)的檢測結(jié)果

5 結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)完成對駕駛?cè)藛T疲勞駕駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測并提醒，通過Proteus仿真實(shí)際硬件電路的電路連接及工作性能，最終系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過對駕駛?cè)藛T脈搏信號的檢測及頭部距離方向盤距離的實(shí)時(shí)檢測，能夠?qū)ζ隈{駛狀態(tài)成功檢測并報(bào)警，系統(tǒng)具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低、功耗低、可行性強(qiáng)的廣闊應(yīng)用前景。