一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì).

1、一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清I摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 各國(guó)城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大， 人們的物質(zhì)生活水平有了很大的提高。公共汽車已經(jīng)不能滿足人們的日常需求， 小轎車漸漸成為了人們出行的重要工具。然后，隨著汽車數(shù)量的逐漸增加，交通安全已經(jīng)成為了當(dāng)今國(guó)際交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重大難題之一。本文在研究國(guó)內(nèi)外防止酒后駕駛和疲勞駕駛的技術(shù)基礎(chǔ)上， 針對(duì)導(dǎo)致交通事故頻發(fā)的事實(shí)，提供了一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路主要分為兩大部分， 軟件控制部分和硬件實(shí)物部分。 軟件部分主要是用 C 語(yǔ)言編寫程序， 采用模塊化的獨(dú)立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)的修改和調(diào)試。硬件部分主要包括三大部分，控

2、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。關(guān)鍵詞 ： 酒后駕駛，疲勞駕駛， MQ-3 傳感器，數(shù)字觸摸傳感器模塊，單片機(jī)一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清IIABSTRACTWith economic development, Urban construction continues to expand the scale of countries, people's living standards greatly improved.In this process , if the default value is exceeded , the re

3、lay driver circuit does not start and buzzer alarm .Key words: Drinkdriving, drowsy driving, MQ-3 sensor， digital touch sensor module,microcontroller一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清III目錄1 緒論 -11.1引言 -11.2課題研究的背景與意義 -11.3課題國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 - -11.4課題研究?jī)?nèi)容 - -22 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu) -32.1系統(tǒng)的工作原理 - -32.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) - -32.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) - -33

4、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) -43.1元器件的選擇 - -43.2硬件電路的設(shè)計(jì) - -253.3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) - -304系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -314.1軟件開發(fā)工具 - -314.2程序流程 - -315系統(tǒng)調(diào)試與分析 -335.1硬件調(diào)試 - -335.2軟件調(diào)試與分析 - -336 結(jié)論 -35參考文獻(xiàn) -36致 謝 -38一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清11 緒論1.1 引言自1886年第一輛汽車在德國(guó)誕生以來(lái)， 汽車就成為了科技進(jìn)步和人類現(xiàn)代文明發(fā)展的象征，為人類社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。一百多年來(lái)，汽車不斷影響和改造著人們的生活方式，在帶來(lái)便捷的同時(shí)，也極大地拓展了人類的

5、活動(dòng)空間，為人類生活營(yíng)造出了一個(gè)快捷、高效、舒適的環(huán)境。1.2 課題研究的背景與意義道路交通安全問(wèn)題是世界各國(guó)所面臨的一個(gè)普遍問(wèn)題，每年全球的道路交通事故多達(dá) 10 億次 3 ，占到全球安全事故總數(shù)的 90%左右。近幾十年來(lái)，雖然很多高收入國(guó)家的道路交通事故死亡率已趨于穩(wěn)定或下降， 但研究表明， 世界大部分地區(qū)的道路死亡人數(shù)卻在不斷增加， 按照這種趨勢(shì)發(fā)展， 到 2030 年時(shí)道路死亡人數(shù)將上升到大約每年240萬(wàn)。此外，交通事故每年為 2000 萬(wàn)至 5000 萬(wàn)人帶來(lái)非致命傷害，而且這已成為致殘的一個(gè)重要原因。1.3 課題國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀隨著科技的發(fā)展， 針對(duì)防止酒后駕駛和防止疲勞駕駛的問(wèn)題

6、， 人們找到了各種解決方法。其中包括檢測(cè)酒后駕駛的文章有：根據(jù)理論研究，要判斷是否是酒后駕駛，最準(zhǔn)確的方法應(yīng)該是檢查駕駛?cè)藛T血液中的酒精含量2 。但由于使用是否方便和價(jià)格等因素，目前普遍使用的只有燃料電池型（電化學(xué)型）和半導(dǎo)體型二種 4 。半導(dǎo)體型一般采用氧化錫半導(dǎo)體作為傳感器， 其具有氣敏特性， 當(dāng)接觸的氣體中其所敏感氣體濃度增加時(shí)，呈現(xiàn)的電阻值就會(huì)降低，半導(dǎo)體型呼氣酒精測(cè)試儀就是利用這個(gè)原理做成的。這種半導(dǎo)體在不同工作溫度時(shí)， 對(duì)不同的氣體敏感程度是不同的， 因此半導(dǎo)體型呼氣酒精測(cè)試儀中都采用加熱元件，把傳感器加熱到一定的溫度，在該溫度下，該傳感器對(duì)酒精具有最高的敏感度 2 。包括防止疲勞

7、駕駛的文章有：攝像機(jī)安放在汽車的控制面板上，因此并不影響駕駛員正常駕駛時(shí)的視野。 利用汽車速度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)車輛的速度， 當(dāng)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的車速后，一般為 40 km /h，啟動(dòng)本系統(tǒng)，此外還需要連續(xù)檢測(cè)駕駛員的頭部圖像。檢測(cè)方法是，連續(xù)檢測(cè)幾幀駕駛員圖像，當(dāng)駕駛員有微小動(dòng)作時(shí)，通過(guò)移動(dòng)的像素?cái)?shù)來(lái)判斷頭部的位置， 根據(jù)駕駛員五官的相對(duì)位置， 經(jīng)圖像處理后，確定眼睛的位置。該方法可以實(shí)現(xiàn)從整體到局部、從“粗”到精，準(zhǔn)確的檢測(cè)到眼睛的位置，繼而可局部一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清2處理眼睛的圖像，精確的分析眼睛特征參數(shù)，根據(jù)眨眼時(shí)間、睜閉程度、眨眼頻率等，利用人眼在困倦和清醒時(shí)的特征參

8、數(shù)估計(jì)出當(dāng)時(shí)狀態(tài)，在疲勞時(shí)予以報(bào)警。 其所有檢測(cè)的結(jié)果和車輛行駛狀態(tài)均將被同時(shí)保存在SD 卡中，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，可用于分析事故原因6。而我國(guó)也在機(jī)動(dòng)車輛駕駛中駕駛安全測(cè)評(píng)方法的研究上取得了一定的理論成績(jī)， 但目前為止，還沒(méi)有研究出實(shí)用的產(chǎn)品，和發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在著很大的差距。因此，在我國(guó)，研究防酒駕和防疲勞的意義是顯而易見(jiàn)的。1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1.4 課題研究?jī)?nèi)容一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 主要分為：軟件控制部分和硬件實(shí)物部分。軟件部分主要是用 C 語(yǔ)言編寫程序， 采用模塊化的獨(dú)立設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)， 便于后續(xù)的修改和調(diào)試，用到的軟件主要是 keil 、proteu

9、s等。硬件部分，主要包括三大部分，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：(1) 控制啟動(dòng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)部分：(2) 防止疲勞駕駛部分：(3) 防止酒后駕駛部分：一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清32 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)2.1 系統(tǒng)的工作原理本設(shè)計(jì)是一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 是以兩塊 STC89C51 單片機(jī)作為控制器，其具體的工作原理為：2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制啟動(dòng)系統(tǒng)處于工防止疲勞駕駛部分防止酒后駕駛部分作狀態(tài)部分圖 2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖 2-2 系統(tǒng)原理框圖2.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有

10、如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以 STC89C51 單片機(jī)為控制核心，外圍電路帶有 LCD 顯示、復(fù)位電路、晶振電路等，不需要其他計(jì)算機(jī)，用戶便可以與其進(jìn)行交互工作，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、分析、判斷、處理、存儲(chǔ)等過(guò)程。(2) 系統(tǒng)具有小型化、低功耗、高性價(jià)比、高靈敏度等特點(diǎn)。(3) 從便攜式的角度出發(fā)， 系統(tǒng)通過(guò)微動(dòng)開關(guān)設(shè)置時(shí)間閾值和酒精濃度閥值， 結(jié)合單片機(jī)的控制，有效的實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互操作、界面友好。(4) 軟件系統(tǒng)都采用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫， 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。(5) 可以實(shí)現(xiàn)防止酒后駕駛和防止瞌睡駕駛的功能， 且對(duì)汽車點(diǎn)火及報(bào)警具有相對(duì)獨(dú)立的控制。(6)

11、 能夠有效的模擬現(xiàn)實(shí)中的情況，具有很強(qiáng)的實(shí)際效果和應(yīng)用價(jià)值。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清43 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由四個(gè)1.5V 的干電池對(duì)防止疲勞駕駛部分進(jìn)行電源供電，由防止疲勞駕駛部分的單片機(jī)和霍爾傳感器共同控制防止酒后駕駛部分的電源供電3.1 元器件的選擇3.1.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)譯名的簡(jiǎn)稱， 在國(guó)內(nèi)也被常稱為 “單片機(jī)” 或“單片微機(jī)”。其包括中央處理器 CPU、只讀存儲(chǔ)器 ROM 、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 、串行口和 I/O 口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等?，F(xiàn)在的單片微機(jī)已不僅指單片微型計(jì)算機(jī)，還包括微計(jì)算機(jī)、微控制器、微處理器和嵌入式控制器 26

12、。本次設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)是 STC89C51 單片機(jī)，屬于 STC 系列單片機(jī)。 該系列單片機(jī)是由美國(guó) STC 公司最新推出的一種新型 51 內(nèi)核的單片機(jī)。 片內(nèi)含有 UART 、SPI、A/D 、Flash 程序存儲(chǔ)器、PWM 、 SRAM等模塊。STC89C51 是高性能、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的CMOS 8 位微控制器，是采用的 ISP 在系統(tǒng)可編程芯片。其最高的工作時(shí)鐘頻率為80MHz ，片內(nèi)含有 4KB8051 核可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，片上的 Flash 可允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)上編程，亦適于常規(guī)編器。在芯片內(nèi)，集成了 ISP Flash 存儲(chǔ)單元和通用的

13、8 位中央處理器，配合PC 端的控制程序可以將用戶的程序代碼直接下載到單片機(jī)的內(nèi)部，速度更快，為用戶省去了購(gòu)買通用編程器的麻煩。STC89C51 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：看門狗定時(shí)器、全雙工串行口、4 字節(jié)的 Flash、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路、 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針、 512 字節(jié)的 RAM 、 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 32 位的 I/O 口線、通用異步串行口等。STC89C51 單片機(jī)作為控制核心，該單片機(jī)的I/O 口控制圖如下圖3-1 所示：一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清5圖 3-1 STC89C51 的接口控制圖圖 3-2 STC89C51 的實(shí)物圖3.1.1.1工作模式(

14、1) 空閑模式：典型功耗 2mA 。(2) 掉電模式：典型功耗 <0.1 A，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序。(3) 掉電模式：其可由外部中斷喚醒，適用于氣表、水表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備。(4) 正常工作模式：典型功耗 4mA7mA 。3.1.1.2 STC89C51 的引腳說(shuō)明VCC （40 引腳）：電源電壓。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清6VSS（ 20 引腳）：接地。P0 端口（ P0.0P0.7，3932 引腳）： P0 口既可以作為輸入 /輸出口，也可以作為地址 /數(shù)據(jù)服用總線使用。當(dāng)為輸入 /輸出口時(shí)，其是一個(gè) 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，上電復(fù)

15、位后處于開漏模式，這個(gè)時(shí)候需要外接 10K-4.7K 的上拉電阻。作為輸出端口時(shí)，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載，即能夠以吸引電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，并對(duì)端口 P0 寫入 “1時(shí)”，可以作為高阻抗輸入端用。此外，在訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部程序時(shí)，P0 口也可以提供低 8 位地址 A0 A7 和 8 位數(shù)據(jù) D0 D7 的復(fù)用總線。此時(shí)， P0 口無(wú)需外接上拉電阻，其內(nèi)部的上拉電阻有效。P1 端口（ P1.0P1.7，18 引腳）： P1 口是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8 位雙向 I/O口。 P1 的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)（吸收或者是輸出電流方式）4 個(gè) TTL 負(fù)載。對(duì)端口寫入 “

16、1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。當(dāng)P1 口作為輸入端口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部存在的上拉電阻， 所以被外部拉低的那些引腳會(huì)輸出一個(gè)ILL 。此外， P1.0 和 P1.1 還具有第二功能，具體參見(jiàn)下圖3-3：圖3-3 P1.0/P1.1 第二功能P2 端口（P2.0P2.7，2821 引腳）： P2 口是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8 位雙向 I/O端口。P2 的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 負(fù)載。對(duì)端口寫入 “1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。當(dāng)P2 口作為輸入端口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部存在的上拉電阻，所以被外部拉低的那些引腳

17、會(huì)輸出一個(gè)ILL 。當(dāng)在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如，執(zhí)行 “MOVX R1” 指令）時(shí)， P2 端口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容，在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。當(dāng)在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或者16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如，執(zhí)行 “MOVX DPTR” 指令）時(shí)， P2 端口輸出高 8 位地址 A8 A15 。P3 端口（ P3.0P3.7，10 17 引腳）： P3 是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8 位雙向 I/O端口。P3 的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng) （吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 負(fù)載。對(duì)端口寫入 “1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。當(dāng)P3 口作為輸入端口使用時(shí)，因?yàn)橛?/p>

18、內(nèi)部存在的上拉電阻，所以被外部拉低的那些引腳會(huì)輸出一個(gè)ILL 。P3口除了作為一般 I/O 口之外，還具有一些第二功能，如下圖 3-4 所示：一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清7圖 3-4 P3 引腳第二功能RST（9 引腳）：復(fù)位輸入腳。當(dāng)看門狗計(jì)時(shí)完成之后， RST 引腳就會(huì)輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR 上的 DISRTO 位可使該功能無(wú)效。而 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位在高電平有效。當(dāng)連續(xù)輸入兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，該引腳為有效，這可以用來(lái)完成單片機(jī)復(fù)位初始化的操作。XTAL1 （19 引腳）：振蕩器內(nèi)部時(shí)鐘反相放大器輸入端口和外部時(shí)鐘源的輸入

19、端口。XTAL2 （18 引腳）：振蕩器內(nèi)部時(shí)鐘反相放大器輸出端口，接外部晶振另一端。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，可浮空。PSEN （29 引腳）：可作為標(biāo)準(zhǔn)I/0 口，也是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)輸出引腳。ALE（ 30 引腳）：可作為標(biāo)準(zhǔn) I/0 口，也是地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳 /編程脈沖輸入引腳。在 Flash 編程時(shí)，該引腳可用作編程輸入脈沖。EA （31 引腳）：可作為標(biāo)準(zhǔn)I/0 口，也是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。當(dāng)需要從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)，接地。其他引腳功能，如下圖 3-5 所示：圖3-5其他引腳功能一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清

20、83.1.2氣敏傳感器的選擇3.1.2.1酒精濃度測(cè)試原理判斷駕駛員是否處于酒駕， 最直接有效的方法是檢測(cè)其血液中的酒精含量， 但由于檢測(cè)過(guò)程中需要對(duì)駕駛員進(jìn)行血樣采取，其操作過(guò)程復(fù)雜且耗時(shí)，在實(shí)際使用過(guò)程中，無(wú)法有效的應(yīng)用于駕駛員的自我檢測(cè)。因此，常用的方法是采用對(duì)測(cè)量呼出氣體的酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)。人喝酒后，酒精會(huì)被腸胃的毛細(xì)血管吸收，通過(guò)肺動(dòng)脈進(jìn)入肺部，血液會(huì)在肺泡中完成氣體的交換，這時(shí)含有的酒精氣體就會(huì)被呼出體外。而呼出氣體中酒精含量與血液中酒精濃度存在一定的線性關(guān)系。通常意義上認(rèn)為，血液中酒精濃度(BAC)與呼出的氣體酒精濃度 (BrAC) 比例為 2100：14 ： B r A C B

21、 A C 2100（3-1）因?yàn)?BrAC 數(shù)據(jù)會(huì)受到環(huán)境濕度、溫度、被測(cè)試者身體差異等諸多方面的影響，其檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有直接測(cè)得的BAC 準(zhǔn)確，但仍然可以作為判斷其飲酒程度的重要依據(jù)。目前我國(guó)大多數(shù)省市把每100 mL 血液中含有 20mg 酒精，規(guī)定為“飲酒”的下限。把每100 mL 血液中含有 100mg 酒精，規(guī)定為“醉酒”的下限。根據(jù)（ 3-1）的 換算關(guān)系，可以得出，即當(dāng)呼出的氣體酒精濃度超過(guò)了0.09 mg L 時(shí)，即判定為“飲酒”，超過(guò) 0.48mgL ，即判定為“醉酒” 。在實(shí)際應(yīng)用中就可以利用酒精氣敏傳感器，將呼出的氣體中的 BrAC 值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被

22、檢測(cè)人員飲酒程度測(cè)試。3.1.2.2酒精氣敏傳感器的選擇酒精濃度準(zhǔn)確的檢測(cè)是決定防止酒后駕駛成功與否的主要因素， 而酒精濃度的檢測(cè)是依靠酒精氣敏傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。 現(xiàn)今，普遍使用的酒精氣敏傳感器只有半導(dǎo)體型和燃料電池型。 這二種類型能夠制成便攜式呼氣式酒精測(cè)試器， 適合于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，電化學(xué)型基本被應(yīng)用于交警執(zhí)法部門， 半導(dǎo)體則基本被應(yīng)用于民用市場(chǎng)?；诒敬卧O(shè)計(jì)的要求和使用環(huán)境、精度的需要，防止酒后駕駛部分選用靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍寬的 MQ-3 氣敏傳感器，該傳感器對(duì)酒精氣體具有良好的選擇性、很高的靈敏度、快速的響應(yīng)、長(zhǎng)期的壽命以及可靠的穩(wěn)定性，而其的驅(qū)動(dòng)

23、電路也很簡(jiǎn)單。3.1.2.3MQ- 3 酒精氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)和外形MQ-3 酒精氣敏傳感器由 Sn O 敏感層、微型 AL O 陶瓷管、測(cè)量電極以及加熱器223構(gòu)成的敏感元件固定在不銹鋼或塑料制成的腔體內(nèi)， 加熱器為敏感元件提供必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有六只針狀管腳，其中兩只管腳用于提供加熱電流，另外四只管腳用于對(duì)信號(hào)的提取。如圖 3-6 所示：一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清9圖3-6 MQ-3 氣敏元件結(jié)構(gòu)圖圖3-7 MQ-3 氣敏元件實(shí)物圖3.1.2.4MQ-3 檢測(cè)電路檢測(cè)電路下圖3-9 所示，由5V 直流穩(wěn)壓源提供電源，穩(wěn)壓源的正負(fù)極分別連接MQ-3用于加熱的管

24、腳，在其中一根管腳的連線上加上開關(guān)S。 MQ-3的四個(gè)管腳和數(shù)字萬(wàn)用表相連。在測(cè)試過(guò)程中，數(shù)字萬(wàn)用表調(diào)到歐姆檔。當(dāng)電源開關(guān) S 斷開時(shí)，傳感器兩端電流為零，傳感器停止加熱，實(shí)際測(cè)得A，B 之間的電阻值大于20M 。當(dāng)電源開關(guān) S 接通時(shí)，則傳感器 f 和 f 之間電流由開始時(shí)的 160mA 降到 150mA 時(shí)穩(wěn)定。當(dāng)加熱開始幾秒鐘以后， A 、B 之間電阻快速下降到 10K 以下，然后又慢慢上升到 120K 以上，隨后并保持著這一數(shù)據(jù)。此時(shí)，如果將酒精溶液樣品接近 MQ-3 酒精氣敏傳感器時(shí)，可以立即看到萬(wàn)用表顯示值由由原來(lái)的大于 120K 迅速降到 10K 以下。當(dāng)移開酒精溶液樣品 1 分

25、鐘以后， A、B 之間的電阻值恢復(fù)到了大于 120K。經(jīng)過(guò)反復(fù)重復(fù)性的試驗(yàn)， MQ-3 酒精氣敏傳感器都可以正常工作使用，但對(duì)不同濃度的酒精溶液有著不同的變化， 而其響應(yīng)和恢復(fù)的時(shí)間都很正常， 正是基于該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以對(duì)防止酒后駕駛部分可以進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清10圖 3-8 MQ-3 檢測(cè)電路3.1.2.5MQ-3 靈敏度特性曲線當(dāng)溫度在 20、相對(duì)濕度在 65%、氧氣濃度在 21%、RL:200k時(shí)，其靈敏度曲線如下圖 3-9 所示：圖 3-9 MQ-3 氣敏元件的靈敏度特性曲線其中， Rs：氣敏元件在不同氣體、不同濃度時(shí)的電阻值； R0：氣敏元件

26、在潔凈空氣中的電阻值。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清113.1.2.6MQ-3 輸出電壓與酒精濃度關(guān)系27通過(guò)實(shí)際測(cè)試， MQ-3 模擬端輸出的信號(hào)與酒精濃度特性曲線近似為線性關(guān)系。圖 3-10 MQ-3 輸出電壓與酒精濃度關(guān)系曲線3.1.2.7 MQ-3標(biāo)準(zhǔn)工作條件和環(huán)境條件環(huán)境的溫度和濕度變化對(duì)氣敏傳感器的靈敏度有一定影響。當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)， 氣敏傳感器的靈敏度則較低；當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，氣敏傳感器的靈敏度則較高。在標(biāo)準(zhǔn)的工作條件下， MQ-3 酒精氣敏傳感器測(cè)試的氣體濃度范圍為 5000-20000單位，濃度上限值為 0.2%。MQ-3 標(biāo)準(zhǔn)工作條件如下圖 3-11 所示。

27、 MQ-3 環(huán)境條件如下圖3-12 所示：圖 3-11 MQ-3 標(biāo)準(zhǔn)工作條件一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清12圖 3-12 MQ-3 環(huán)境條件3.1.3霍爾傳感器的選擇3.1.3.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，指的是磁場(chǎng)作用于半導(dǎo)體或載流金屬導(dǎo)體中的載流子時(shí)， 而產(chǎn)生橫向電勢(shì)差的物理現(xiàn)象。如果在一塊矩形半導(dǎo)體薄片上沿 x 軸方向通上電流，且在 z 軸方向加上磁場(chǎng) B，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) VH ，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 VH 稱為霍爾電壓。產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是電流做定向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子即載流子（ P 型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴， N 型半導(dǎo)體中的載流子是帶負(fù)

28、電荷的電子） 在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而產(chǎn)生的。圖 3-13霍爾效應(yīng)原理圖3.1.3.2霍爾效應(yīng)的應(yīng)用(1)測(cè)量磁場(chǎng)：U KIB / d（ 3-2）利用霍爾效應(yīng)可以制造精確測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器高斯計(jì)。高斯計(jì)有別于傳統(tǒng)的特斯垃計(jì) 28 。高斯計(jì)探頭里裝上一個(gè)霍爾元件，在其里面是一個(gè)半導(dǎo)體薄片。電勢(shì)差用毫伏計(jì)來(lái)測(cè)量， 電流和靈敏度也可以用相應(yīng)儀器進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的結(jié)果帶入該公式中就可以計(jì)算出磁感應(yīng)的強(qiáng)度。(2) 磁流體發(fā)電：從 20 世紀(jì) 50 年代末開始進(jìn)行的關(guān)于研究磁流體發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)新型高效的發(fā)電方一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清13式。磁流體又稱為鐵磁流體、磁性液體或者磁液

29、，它是由強(qiáng)磁性粒子、媒體以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定性膠狀溶液。該溶液在靜態(tài)時(shí)，無(wú)磁性吸引力，但當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出磁性。其根本原理是利用等離子體的霍爾效應(yīng)，即當(dāng)帶有磁流體的等離子體橫切過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，在磁力線的切割作用下產(chǎn)生電流。(3) 電磁無(wú)損探傷：該原理是利用霍爾元件檢測(cè)鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率在該泄漏磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的信號(hào)變化，該傳感器可獲得多通道輸出穩(wěn)定一致的被檢零件局部缺陷無(wú)損探傷的信號(hào)， 從而可以有效地探測(cè)出缺陷存在位置。該方法可靠、安全、實(shí)用，被廣泛應(yīng)用于設(shè)備故障診斷中 30 。(4) 霍爾傳感器：其是以霍爾效應(yīng)原理構(gòu)建的霍爾組件、霍爾元件、霍爾集成電路，簡(jiǎn)稱為霍爾傳感器。

30、在應(yīng)用中，可利用霍爾電壓和外加磁場(chǎng)成正比例的線性關(guān)系制作成多種可測(cè)量線性的傳感器。在日常生活中，霍爾傳感器大多應(yīng)用在家電中，如可利用霍爾效應(yīng)在動(dòng)感檢測(cè)器上面加一些電子線路就能制作成報(bào)警器 39 。3.1.3.3霍爾傳感器本設(shè)計(jì)選用霍爾元件是 OH137，該霍爾開關(guān)電路是根據(jù)客戶對(duì)低成本高性能的實(shí)際要求而開發(fā)生產(chǎn)的一系列產(chǎn)品，其性能穩(wěn)定可靠，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。電路內(nèi)部由霍爾電壓發(fā)生器、電壓調(diào)整器、反向電壓保護(hù)器、史密特觸發(fā)器、差分放大器以及集電極開路輸出級(jí)等組成，能夠有效的將變化磁場(chǎng)訊號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字電壓信號(hào)輸出。圖 3-14霍爾傳感器外觀圖圖 3-15霍爾傳感器實(shí)物圖一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安

31、全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清14圖 3-16霍爾傳感器引腳圖3.1.4數(shù)字觸摸傳感器模塊的選擇根據(jù)防止疲勞駕駛部分的設(shè)計(jì)需要，本設(shè)計(jì)選用的數(shù)字觸摸傳感器模塊是TTP223來(lái)代替電容式觸摸傳感器。TTP223 是觸摸鍵檢測(cè) IC，其可以提供 1 個(gè)觸摸鍵。該觸摸鍵具有低功耗和寬工作電壓等特點(diǎn)。其具體特點(diǎn)如下圖3-17 所示：圖 3-17 TTP223 具體特點(diǎn)圖圖 3-18 TTP223 方塊圖一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清153.1.4.1 TTP223的引腳說(shuō)明圖 3-19 顯示了 TTP223 數(shù)字觸摸傳感器模塊的引腳功能。圖 3-19 TTP223 引腳說(shuō)明圖 3-20 TTP223

32、 實(shí)物圖3.1.4.2輸出模式TTP223 數(shù)字觸摸傳感器模塊輸出模式可以選擇，具體方法是，用錫短路板子的A或 B 焊盤，就可以改變其輸出的模式，其中短路表示為1，斷開表示為 0。如下圖3-21所示：一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清16圖 3-21 TTP223 輸出模式圖其中，在實(shí)際焊接使用只需要關(guān)注三個(gè)引腳。1 腳為電源端，2 腳為輸出端，3 腳為接地端。3.1.5模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇3.1.5.1模數(shù)轉(zhuǎn)換的類型在數(shù)字電路里，電平只有高、低兩種狀態(tài)，例如 5V 和電路里，理論上電平有無(wú)數(shù)多個(gè)狀態(tài)， 例如 0V 、0.1V、0.2V0V ，對(duì)應(yīng)著 1 和 0；在模擬等。模數(shù)轉(zhuǎn)換，

33、又稱為 A/D轉(zhuǎn)換，就是將模擬電平在數(shù)字電路里表示出來(lái)。常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換類型共有三種，分別是：積分型、并行比較型/串并行型、逐次逼近型。(1)積分型：積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理是，將輸入的電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后根據(jù)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來(lái)獲得數(shù)字值。其具有用簡(jiǎn)單電路獲得高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)換的速率極低，這也是近年來(lái)逐步被淘汰的主要原因。(2) 并行比較型 / 串并行比較型：并行比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換采用多個(gè)比較器，僅進(jìn)行一次比較就實(shí)行轉(zhuǎn)換。由于其轉(zhuǎn)換速率極高， n 位的轉(zhuǎn)換就需要2n-1 個(gè)比較器，因此其電路規(guī)模極大，價(jià)格偏高。串并行比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)是介于逐次比較型和并行型兩者之間的，其中最為典型的就是

34、由 2 個(gè) n/2 位的并行型模數(shù)轉(zhuǎn)換器配合數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，運(yùn)用兩次比較實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度來(lái)看，又可稱之為流水線型AD 。現(xiàn)階段在分級(jí)型AD 中，還加入了多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字量運(yùn)算時(shí)并加以其修正特性的功能。(3) 逐次比較型：逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換是由一個(gè)DA 轉(zhuǎn)換器和比較器通過(guò)逐次比較的邏輯構(gòu)成，從MSB 開始，有順序地對(duì)每一位即將要輸入的電壓和內(nèi)置的DA 轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò) n 次比較，可以輸出數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是，功耗低、速度較高。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清173.1.5.2模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辯率：是指，數(shù)字量變化一個(gè)最小的量時(shí)，模擬信號(hào)的變化量。其定義

35、為，滿刻度與 2n 的比值，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)進(jìn)行表示。（2）轉(zhuǎn)換速率：是指，完成一次從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要時(shí)間的倒數(shù)。 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間是毫秒級(jí)，屬于低速 AD ；逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換是微秒級(jí)，屬中速 AD ；全并行 / 串并行型模數(shù)轉(zhuǎn)換可以達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔差。 為了有效保證轉(zhuǎn)換的正確實(shí)現(xiàn)， 采樣速率必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。其常用單位是 ksps 和 Msps，表示的意義是，每秒采樣千 /百萬(wàn)次。3.1.5.3 ADC0832 的主要參數(shù)本設(shè)計(jì)選用 ADC0832 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）8 位分辨率，其最高分辨可達(dá)256 級(jí)，屬于模

36、數(shù)轉(zhuǎn)換逐次逼近型。（2）5V 電源供電時(shí)，其參考基準(zhǔn)電壓為5V，輸入的模擬電壓范圍為05V。（3）一般功耗為 15mW。（4）具有兩個(gè)可供選擇的模擬輸入通道。（5）輸入和輸出的電平與TTL 、CMOS 兼容。（6）在 250KHz 時(shí)鐘頻率下，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為32s。（7）具有雙數(shù)據(jù)輸出作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)來(lái)減少數(shù)據(jù)誤差， 其轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。（8）具有獨(dú)立的芯片使能端輸入，使得更多器件可以掛接，處理器控制也更加方便。（9）通過(guò) DI 數(shù)據(jù)輸入端可以輕易實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。（10） ADC0832 與單片機(jī)的接口有4 條數(shù)據(jù)線，分別是CS、DO、DI 、CLK 。3.1.5.4 ADC0832 的引

37、腳說(shuō)明圖3-22 ADC0832 引腳（1） CS： 片選使能端，低電平有效。（2）CHO：模擬通道 0，當(dāng)差分輸入時(shí)，可作IN+ 或 IN- 使用。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清18（3）CH1：模擬輸入通道 1，當(dāng)差分輸入時(shí)，可作IN+ 或 IN- 使用。（4）DI ：選擇通道控制，數(shù)據(jù)信號(hào)輸出。（5）DO：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)信號(hào)輸出。（6）CLK ：芯片時(shí)鐘信號(hào)，串行時(shí)鐘輸入端。（7）Vcc/Vre ：電源輸入端以及參考基準(zhǔn)電壓輸入端，可復(fù)用。（8）GND ：電源地。3.1.5.5單片機(jī)對(duì) ADC0832的控制在一般情況下， ADC0832 與單片機(jī)之間的接口有 4 條數(shù)

38、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，所以，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可將 DO 和 DI 并聯(lián)在同一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) ADC0832 沒(méi)有工作時(shí)， CS 輸入端接高電平，芯片被禁用， DO/DI 和 CLK 的電平信號(hào)可任意選擇。 當(dāng)需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，首先將 CS 端設(shè)置為低電平并且保持到轉(zhuǎn)換全部結(jié)束。芯片開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換工作，與此同時(shí)，處理器向芯片時(shí)鐘輸入端提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)， DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1 個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)到來(lái)之前 DI 端必須為高電平，該表示啟動(dòng)位。當(dāng)在第2、第 3

39、 個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)之前DI端應(yīng)該要輸入 2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其具體功能項(xiàng)見(jiàn)下圖3-23：圖 3-23 ADC0832 配置位如圖 3-23 所示，當(dāng)配置 2 位數(shù)據(jù)是 0、0 時(shí)，將 CH0 設(shè)置為正輸入端 IN+、CH1設(shè)置為負(fù)輸入端 IN- 進(jìn)行輸入。當(dāng)配置 2 位數(shù)據(jù)是 0、1 時(shí)，將 CH0 設(shè)置為負(fù)輸入端 IN- 、 CH1 設(shè)置為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。當(dāng)配置位 2 位數(shù)據(jù)是 1、 0 時(shí)，只需要對(duì) CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)配置 2 位數(shù)據(jù)是 1、1 時(shí)，只需要對(duì) CH1 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)?3 個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)后， DI 端輸入的電平信號(hào)就沒(méi)有了輸入作用，之后 DO/D

40、I 端就開始利用數(shù)據(jù)輸出 DO 端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號(hào)的讀取。 從第 4 個(gè)時(shí)鐘脈沖開始， 由 DO 端口輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 D7，之后每一個(gè)脈沖 DO 端則輸出下一位數(shù)據(jù)信號(hào)。 當(dāng)?shù)?11 個(gè)脈沖發(fā)出最低位數(shù)據(jù) D0 時(shí)，這一字節(jié)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出宣告完成。也正是從此位開始，輸出下一相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11 個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出 D0，之后輸出 8 位數(shù)據(jù)，直到第 19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)才輸出完成， 這標(biāo)志著一次 A/D 轉(zhuǎn)換的全部結(jié)束。 最后只需要將 CS 置高電平禁止使用芯片，將轉(zhuǎn)換后的直接數(shù)據(jù)處理就可以。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清19圖 3-24時(shí)序圖3.1.6 IIC存儲(chǔ)芯片

41、的選擇本設(shè)計(jì)選用的 IIC 存儲(chǔ)芯片是 AT24C02。該是美國(guó) Atmel 公司生產(chǎn)的低功耗 CMOS 型 E2PROM，其內(nèi)含 256 X 8 位存儲(chǔ)空間，具有的工作電壓寬為 2.5V5.5V ，其具有小于 10ms 快速的寫入速度和大于 10000 次的擦寫次數(shù)、數(shù)據(jù)不易丟失、抗干擾能力強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)。此外，它還采用了 I2C 總線式的進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫串行操作，只需要占用很少的 I/O 線和資源。AT24C02 還有一個(gè) 16 字節(jié)頁(yè)的寫緩沖器，該芯片通過(guò)I2C 總線接口進(jìn)行操作，具有一個(gè)專門寫保護(hù)功能。3.1.6.1 AT24C02 的主要參數(shù)（1）工作電壓： 1.8V5.5V 。（2）

42、輸入 /輸出引腳兼容 5V 。（3）二線串行接口。（4）輸入引腳經(jīng)施密特觸發(fā)器濾波抑制噪音。（5）支持硬件寫保護(hù)。（6）采用雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。3.1.6.2 AT24C02的引腳說(shuō)明圖 3-25 AT24C02 引腳圖一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱正清20（1）A0 、A1 、A2 ：器件地址的輸入端。這些輸入引腳可用于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)接時(shí)設(shè)置器件地址，當(dāng)懸空時(shí)默認(rèn)為低電平。 AT24C02 最大可以級(jí)聯(lián) 8 個(gè)器件，如果僅有一個(gè) 24C02 被總線尋址，則這三個(gè)地址輸入腳可懸空或接地。（2）SCL：串行時(shí)鐘輸入引腳，被應(yīng)用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)接收或發(fā)送的時(shí)鐘。（3）SDA ：雙向串行數(shù)

43、據(jù) /地址引腳，被應(yīng)用于器件所有數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送。（4）WP：寫保護(hù)。如果WP 引腳連接到地或懸空，允許器件進(jìn)行正常的讀/寫操作。如果 WP 引腳連接到電源，所有內(nèi)容都會(huì)被寫保護(hù)，只能讀取。（5）VCC ：電源電壓 5V。（6）VSS：電源地。圖 3-26 AT24C02 結(jié)構(gòu)框圖3.1.6.3 ADC0832 的操作控制（1）起始命令：當(dāng) SCL 是高， SDA 由高變低這一過(guò)程被視為起始命令，以起始命令作為任何一次讀 /寫操作命令的開始。（2）停止命令：當(dāng) SCL 是高， SDA 由高變低這一過(guò)程被視為結(jié)束命令，在一個(gè)讀操作后，停止命令將使 EEPROM 進(jìn)入等待狀態(tài)的低功耗模式。（3）時(shí)鐘及數(shù)據(jù)傳輸： SDA 引腳一般會(huì)被外圍器件拉高。其引腳的數(shù)據(jù)應(yīng)在SCL為低電平時(shí)變化；當(dāng)數(shù)據(jù)在 SC