一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计

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1、一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计朱正清 40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

2、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ABSTRACTWith economic development, Urban construction continues to expand the scale of countries, peoples living standards greatly improved.In this process , if the default value is exceeded , the relay driver circuit does not start and bu

3、zzer alarm .Key words: Drink driving, drowsy driving, MQ-3 sensor，digital touch sensor module, microcontroller 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51.4 课题研究内容82 系统的工作原理与结构92.1 系统的工作原理92.2 系统的结构92.3 系统的结构特点103 系统的硬件设计113.1 元器件的选择113.2 硬件电路的设计323.3 系统的硬件电路设计414 系统软件设计444.1 软件开发工具444.2 程序流程445 系统调

4、试与分析485.1 硬件调试485.2 软件调试与分析486 结论51参考文献52致 谢541 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

5、，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

6、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40 km /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

7、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

8、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：2 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 系统的结构图2-1 系统结构框图图2-2 系统原理框

9、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

10、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。3 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

11、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CMOS 8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ISP Flash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

12、，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：图3-1 STC89C51的接口控制图图3-2 STC89C51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：典型功耗0.1A，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。(3) 掉电模式：其可由外部中断唤醒，适用于气表、水表等电池供电系统及便携

13、设备。(4) 正常工作模式：典型功耗4mA7mA。3.1.1.2 STC89C51的引脚说明VCC（40引脚）：电源电压。VSS（20引脚）：接地。P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据服用总线使用。当为输入/输出口时，其是一个8位准双向I/O口，上电复位后处于开漏模式，这个时候需要外接10K-4.7K的上拉电阻。作为输出端口时，每个引脚能驱动8个TTL负载，即能够以吸引电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，并对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入端用。此外，在访问数据存储器和外部程序时，P0口也可以提供低8位地址A0A7和8位数据D0

14、D7的复用总线。此时，P0口无需外接上拉电阻，其内部的上拉电阻有效。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可以驱动（吸收或者是输出电流方式）4个TTL负载。对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。当P1口作为输入端口使用时，因为有内部存在的上拉电阻，所以被外部拉低的那些引脚会输出一个ILL。此外，P1.0和P1.1还具有第二功能，具体参见下图3-3：图3-3 P1.0/P1.1第二功能P2端口（P2.0P2.7，2821引脚）：P2口是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动

15、（吸收或输出电流方式）4个TTL负载。对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。当P2口作为输入端口使用时，因为有内部存在的上拉电阻，所以被外部拉低的那些引脚会输出一个ILL。当在访问8位地址的外部数据存储器（例如，执行“MOVX R1”指令）时，P2端口输出P2锁存器的内容，在整个访问期间不会改变。当在访问外部程序存储器或者16位地址的外部数据存储器（例如，执行“MOVX DPTR”指令）时，P2端口输出高8位地址A8A15。P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4

16、个TTL负载。对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。当P3口作为输入端口使用时，因为有内部存在的上拉电阻，所以被外部拉低的那些引脚会输出一个ILL。P3口除了作为一般I/O口之外，还具有一些第二功能，如下图3-4所示：图3-4 P3引脚第二功能RST（9引脚）：复位输入脚。当看门狗计时完成之后，RST引脚就会输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR上的DISRTO位可使该功能无效。而DISRTO默认状态下，复位在高电平有效。当连续输入两个机器周期以上的高电平时，该引脚为有效，这可以用来完成单片机复位初始化的操作。XTAL1（19引脚）：振荡器内部时钟反相

17、放大器输入端口和外部时钟源的输入端口。XTAL2（18引脚）：振荡器内部时钟反相放大器输出端口，接外部晶振另一端。当直接使用外部时钟源时，可浮空。（29引脚）：可作为标准I/0口，也是外部程序存储器选通信号输出引脚。ALE（30引脚）：可作为标准I/0口，也是地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。在Flash编程时，该引脚可用作编程输入脉冲。（31引脚）：可作为标准I/0口，也是访问外部程序存储器控制信号。当需要从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令时，接地。其他引脚功能，如下图3-5所示：图3-5 其他引脚功能3.1.2 气敏传感器的选择3.1.2.1 酒精浓度测试原理判断驾

18、驶员是否处于酒驾，最直接有效的方法是检测其血液中的酒精含量，但由于检测过程中需要对驾驶员进行血样采取，其操作过程复杂且耗时，在实际使用过程中，无法有效的应用于驾驶员的自我检测。因此，常用的方法是采用对测量呼出气体的酒精浓度进行检测。人喝酒后，酒精会被肠胃的毛细血管吸收，通过肺动脉进入肺部，血液会在肺泡中完成气体的交换，这时含有的酒精气体就会被呼出体外。而呼出气体中酒精含量与血液中酒精浓度存在一定的线性关系。通常意义上认为，血液中酒精浓度(BAC)与呼出的气体酒精浓度(BrAC)比例为2100：14： （3-1）因为BrAC数据会受到环境湿度、温度、被测试者身体差异等诸多方面的影响，其检测结果没

19、有直接测得的BAC准确，但仍然可以作为判断其饮酒程度的重要依据。目前我国大多数省市把每100 mL血液中含有20mg酒精，规定为“饮酒”的下限。把每100 mL血液中含有100mg酒精，规定为“醉酒”的下限。根据（3-1）的换算关系，可以得出，即当呼出的气体酒精浓度超过了0.09 mgL时，即判定为“饮酒”，超过0.48 mgL，即判定为“醉酒”。在实际应用中就可以利用酒精气敏传感器，将呼出的气体中的BrAC值转换为电信号，经过单片机处理，来实现对被检测人员饮酒程度测试。3.1.2.2 酒精气敏传感器的选择酒精浓度准确的检测是决定防止酒后驾驶成功与否的主要因素，而酒精浓度的检测是依靠酒精气敏传

20、感器来实现对信号的采集。现今，普遍使用的酒精气敏传感器只有半导体型和燃料电池型。这二种类型能够制成便携式呼气式酒精测试器，适合于现场检测。在实际应用中，电化学型基本被应用于交警执法部门，半导体则基本被应用于民用市场。基于本次设计的要求和使用环境、精度的需要，防止酒后驾驶部分选用灵敏度高、响应速度快、稳定性好、测量范围宽的MQ-3气敏传感器，该传感器对酒精气体具有良好的选择性、很高的灵敏度、快速的响应、长期的寿命以及可靠的稳定性，而其的驱动电路也很简单。3.1.2.3 MQ-3酒精气敏传感器的结构和外形MQ-3酒精气敏传感器由敏感层、微型陶瓷管、测量电极以及加热器构成的敏感元件固定在不锈钢或塑料

21、制成的腔体内，加热器为敏感元件提供必要的工作条件。封装好的气敏元件有六只针状管脚，其中两只管脚用于提供加热电流，另外四只管脚用于对信号的提取。如图3-6所示：图3-6 MQ-3气敏元件结构图图3-7 MQ-3气敏元件实物图3.1.2.4 MQ-3检测电路检测电路下图3-9所示，由5V直流稳压源提供电源，稳压源的正负极分别连接MQ-3用于加热的管脚，在其中一根管脚的连线上加上开关S。MQ-3的四个管脚和数字万用表相连。在测试过程中，数字万用表调到欧姆档。当电源开关S断开时，传感器两端电流为零，传感器停止加热，实际测得A，B之间的电阻值大于20M。当电源开关S接通时，则传感器f和f之间电流由开始时

22、的160mA降到150mA时稳定。当加热开始几秒钟以后，A、B之间电阻快速下降到10K以下，然后又慢慢上升到120K以上，随后并保持着这一数据。此时，如果将酒精溶液样品接近MQ-3酒精气敏传感器时，可以立即看到万用表显示值由由原来的大于120K迅速降到10K以下。当移开酒精溶液样品1分钟以后，A、B之间的电阻值恢复到了大于120K。经过反复重复性的试验，MQ-3酒精气敏传感器都可以正常工作使用，但对不同浓度的酒精溶液有着不同的变化，而其响应和恢复的时间都很正常，正是基于该实验的基础上可以对防止酒后驾驶部分可以进行进一步设计。图 3-8 MQ-3检测电路3.1.2.5 MQ-3灵敏度特性曲线当温

23、度在20、相对湿度在65%、氧气浓度在21%、RL:200k时，其灵敏度曲线如下图3-9所示：图 3-9 MQ-3气敏元件的灵敏度特性曲线其中，Rs：气敏元件在不同气体、不同浓度时的电阻值；R0：气敏元件在洁净空气中的电阻值。3.1.2.6 MQ-3输出电压与酒精浓度关系通过实际测试，MQ-3模拟端输出的信号与酒精浓度特性曲线近似为线性关系27。如下图3-10所示：图 3-10 MQ-3输出电压与酒精浓度关系曲线3.1.2.7 MQ-3标准工作条件和环境条件环境的温度和湿度变化对气敏传感器的灵敏度有一定影响。当环境湿度较低时，气敏传感器的灵敏度则较低；当环境温度较高时，气敏传感器的灵敏度则较高

24、。在标准的工作条件下，MQ-3酒精气敏传感器测试的气体浓度范围为5000-20000单位，浓度上限值为0.2%。MQ-3标准工作条件如下图3-11所示。MQ-3环境条件如下图3-12所示：图 3-11 MQ-3标准工作条件图 3-12 MQ-3环境条件3.1.3 霍尔传感器的选择3.1.3.1 霍尔效应霍尔效应，指的是磁场作用于半导体或载流金属导体中的载流子时，而产生横向电势差的物理现象。如果在一块矩形半导体薄片上沿x轴方向通上电流，且在z轴方向加上磁场B，则在垂直于电流和磁场的方向上就会产生电动势VH，这一现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。产生霍尔效应的原因是电流做定向运动的带电粒子即载流

25、子（P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴，N型半导体中的载流子是带负电荷的电子）在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的。图 3-13 霍尔效应原理图3.1.3.2 霍尔效应的应用(1) 测量磁场： （3-2）利用霍尔效应可以制造精确测量磁感应强度的仪器高斯计。高斯计有别于传统的特斯垃计28 。高斯计探头里装上一个霍尔元件，在其里面是一个半导体薄片。电势差用毫伏计来测量，电流和灵敏度也可以用相应仪器进行测量，将测得的结果带入该公式中就可以计算出磁感应的强度。(2) 磁流体发电：从20世纪50年代末开始进行的关于研究磁流体发电技术是一项新型高效的发电方式。磁流体又称为铁磁流体、磁性液体或者磁液，它是由

26、强磁性粒子、媒体以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定性胶状溶液。该溶液在静态时，无磁性吸引力，但当外加磁场作用时，就会表现出磁性。其根本原理是利用等离子体的霍尔效应，即当带有磁流体的等离子体横切过磁场时，在磁力线的切割作用下产生电流。(3) 电磁无损探伤：该原理是利用霍尔元件检测铁磁性材料的高磁导率在该泄漏磁场磁感应强度的信号变化，该传感器可获得多通道输出稳定一致的被检零件局部缺陷无损探伤的信号，从而可以有效地探测出缺陷存在位置。该方法可靠、安全、实用，被广泛应用于设备故障诊断中30。(4) 霍尔传感器：其是以霍尔效应原理构建的霍尔组件、霍尔元件、霍尔集成电路，简称为霍尔传感器。在应用中，可利

27、用霍尔电压和外加磁场成正比例的线性关系制作成多种可测量线性的传感器。在日常生活中，霍尔传感器大多应用在家电中，如可利用霍尔效应在动感检测器上面加一些电子线路就能制作成报警器39。3.1.3.3 霍尔传感器本设计选用霍尔元件是OH137，该霍尔开关电路是根据客户对低成本高性能的实际要求而开发生产的一系列产品，其性能稳定可靠，应用领域非常广泛。电路内部由霍尔电压发生器、电压调整器、反向电压保护器、史密特触发器、差分放大器以及集电极开路输出级等组成，能够有效的将变化磁场讯号转变成数字电压信号输出。图 3-14 霍尔传感器外观图图 3-15 霍尔传感器实物图图 3-16 霍尔传感器引脚图3.1.4 数

28、字触摸传感器模块的选择根据防止疲劳驾驶部分的设计需要，本设计选用的数字触摸传感器模块是TTP223来代替电容式触摸传感器。TTP223是触摸键检测IC，其可以提供1个触摸键。该触摸键具有低功耗和宽工作电压等特点。其具体特点如下图3-17所示：图 3-17 TTP223具体特点图图 3-18 TTP223方块图3.1.4.1 TTP223的引脚说明图3-19显示了TTP223数字触摸传感器模块的引脚功能。图 3-19 TTP223引脚说明图 3-20 TTP223实物图3.1.4.2 输出模式TTP223数字触摸传感器模块输出模式可以选择，具体方法是，用锡短路板子的A 或B焊盘，就可以改变其输出

29、的模式，其中短路表示为1，断开表示为0。如下图3-21所示：图 3-21 TTP223输出模式图其中，在实际焊接使用只需要关注三个引脚。1脚为电源端，2脚为输出端，3脚为接地端。3.1.5 模数转换芯片的选择3.1.5.1 模数转换的类型在数字电路里，电平只有高、低两种状态，例如5V和0V，对应着1和0；在模拟电路里，理论上电平有无数多个状态，例如0V、0.1V、0.2V等。模数转换，又称为A/D转换，就是将模拟电平在数字电路里表示出来。常用的模数转换类型共有三种，分别是：积分型、并行比较型/串并行型、逐次逼近型。(1) 积分型：积分型模数转换的工作原理是，将输入的电压转换成时间或频率，然后根

30、据定时器/计数器来获得数字值。其具有用简单电路获得高分辨率等优点，但其转换的速率极低，这也是近年来逐步被淘汰的主要原因。(2) 并行比较型/串并行比较型： 并行比较型模数转换采用多个比较器，仅进行一次比较就实行转换。由于其转换速率极高，n位的转换就需要2n-1个比较器，因此其电路规模极大，价格偏高。 串并行比较型模数转换的结构是介于逐次比较型和并行型两者之间的，其中最为典型的就是由2个n/2位的并行型模数转换器配合数模转换器组成，运用两次比较实现转换。从转换时序角度来看，又可称之为流水线型AD。现阶段在分级型AD中，还加入了多次转换结果作数字量运算时并加以其修正特性的功能。 (3) 逐次比较型

31、：逐次比较型模数转换是由一个DA转换器和比较器通过逐次比较的逻辑构成，从MSB开始，有顺序地对每一位即将要输入的电压和内置的DA转换器输出进行比较，经过n次比较，可以输出数字值。其优点是，功耗低、速度较高。3.1.5.2 模数转换的主要技术指标（1）分辩率：是指，数字量变化一个最小的量时，模拟信号的变化量。其定义为，满刻度与2n的比值，通常以数字信号的位数来进行表示。（2）转换速率：是指，完成一次从模拟转换为数字的模数转换所需要时间的倒数。积分型模数转换的时间是毫秒级，属于低速AD；逐次比较型模数转换是微秒级，属中速AD；全并行/串并行型模数转换可以达到纳秒级。采样时间是指两次转换的间隔差。为

32、了有效保证转换的正确实现，采样速率必须小于或等于转换速率。其常用单位是ksps和Msps，表示的意义是，每秒采样千/百万次。 3.1.5.3 ADC0832的主要参数本设计选用ADC0832作为模数转换芯片，其主要技术指标如下：（1）8位分辨率，其最高分辨可达256级，属于模数转换逐次逼近型。（2）5V电源供电时，其参考基准电压为5V，输入的模拟电压范围为05V。（3）一般功耗为15mW。（4）具有两个可供选择的模拟输入通道。（5）输入和输出的电平与TTL、CMOS兼容。（6）在250KHz时钟频率下，其转换时间为32s。（7）具有双数据输出作为数据校验来减少数据误差，其转换速度快且稳定性能强

33、。（8）具有独立的芯片使能端输入，使得更多器件可以挂接，处理器控制也更加方便。（9）通过DI数据输入端可以轻易实现通道功能的选择。（10）ADC0832与单片机的接口有4条数据线，分别是CS、DO、DI、CLK。3.1.5.4 ADC0832的引脚说明图3-22 ADC0832引脚（1）：片选使能端，低电平有效。（2）CHO：模拟通道0，当差分输入时，可作IN+或IN-使用。（3）CH1：模拟输入通道1，当差分输入时，可作IN+或IN-使用。（4）DI：选择通道控制，数据信号输出。（5）DO：转换数据输出，数据信号输出。（6）CLK：芯片时钟信号，串行时钟输入端。（7）Vcc/Vre：电源输入

34、端以及参考基准电压输入端，可复用。（8）GND：电源地。3.1.5.5 单片机对ADC0832的控制在一般情况下，ADC0832与单片机之间的接口有4条数据线，分别是CS、DO、DI、CLK。但DO端与DI端在通信时，并不是同时有效且与单片机的接口是双向的，所以，在电路设计时可将DO和DI 并联在同一根数据线上使用。当ADC0832没有工作时，CS输入端接高电平，芯片被禁用，DO/DI 和CLK的电平信号可任意选择。当需要进行A/D转换时，首先将CS端设置为低电平并且保持到转换全部结束。芯片开始进行转换工作，与此同时，处理器向芯片时钟输入端提供时钟脉冲信号，DO/DI端则使用DI端输入通道功能

35、选择的数据信号。在第1个时钟脉冲信号到来之前DI端必须为高电平，该表示启动位。当在第2、第3个时钟脉冲到来之前DI端应该要输入2位数据用于选择通道功能，其具体功能项见下图3-23：图3-23 ADC0832配置位如图3-23所示，当配置2位数据是0、0时，将CH0设置为正输入端IN+、CH1设置为负输入端IN-进行输入。当配置2位数据是0、1时，将CH0设置为负输入端IN-、CH1 设置为正输入端IN+进行输入。当配置位2位数据是1、0时，只需要对CH0 进行单通道转换。当配置2位数据是1、1时，只需要对CH1进行单通道转换。当第3个时钟脉冲到来后，DI端输入的电平信号就没有了输入作用，之后D

36、O/DI端就开始利用数据输出DO端口进行转换数据信号的读取。从第4个时钟脉冲开始，由DO端口输出转换数据最高位D7，之后每一个脉冲DO端则输出下一位数据信号。当第11个脉冲发出最低位数据D0时，这一字节的数据信号输出宣告完成。也正是从此位开始，输出下一相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0，之后输出8位数据，直到第19 个脉冲时数据才输出完成，这标志着一次A/D转换的全部结束。最后只需要将CS置高电平禁止使用芯片，将转换后的直接数据处理就可以。图3-24 时序图3.1.6 IIC存储芯片的选择本设计选用的IIC存储芯片是AT24C02。该是美国Atmel公司生产的低功耗CMOS型E2PR

37、OM，其内含2568位存储空间，具有的工作电压宽为2.5V5.5V，其具有小于10ms快速的写入速度和大于10000次的擦写次数、数据不易丢失、抗干扰能力强、体积小等特点。此外，它还采用了I2C总线式的进行数据读写串行操作，只需要占用很少的I/O线和资源。AT24C02还有一个16字节页的写缓冲器，该芯片通过I2C总线接口进行操作，具有一个专门写保护功能。3.1.6.1 AT24C02的主要参数（1）工作电压：1.8V5.5V。（2）输入/输出引脚兼容5V。（3）二线串行接口。（4）输入引脚经施密特触发器滤波抑制噪音。（5）支持硬件写保护。（6）采用双向数据传输协议。3.1.6.2 AT24C

38、02的引脚说明图3-25 AT24C02引脚图（1）A0、A1、A2：器件地址的输入端。这些输入引脚可用于多个器件级联接时设置器件地址，当悬空时默认为低电平。AT24C02最大可以级联8个器件，如果仅有一个24C02被总线寻址，则这三个地址输入脚可悬空或接地。（2）SCL：串行时钟输入引脚，被应用于产生器件所有数据接收或发送的时钟。（3）SDA：双向串行数据/地址引脚，被应用于器件所有数据的接收或发送。（4）WP：写保护。如果WP引脚连接到地或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。如果WP引脚连接到电源，所有内容都会被写保护，只能读取。（5）VCC：电源电压5V。（6）VSS：电源地。图3-26

39、 AT24C02结构框图3.1.6.3 ADC0832的操作控制（1）起始命令：当 SCL是高，SDA由高变低这一过程被视为起始命令，以起始命令作为任何一次读/写操作命令的开始。（2）停止命令：当 SCL是高，SDA 由高变低这一过程被视为结束命令，在一个读操作后，停止命令将使 EEPROM 进入等待状态的低功耗模式。（3）时钟及数据传输：SDA引脚一般会被外围器件拉高。其引脚的数据应在 SCL 为低电平时变化；当数据在SCL 为高电平时变化，被认为是下文所述的一个起始或停止命令。（4）等待模式：24C02特有一个低功耗等待模式。（5）应答：所有的数据和地址字节都以 8 位为一组串行输出和输入

40、。每当收到一组 8 位数据后，EEPROM都会在第9 个时钟周期返回应答信号。当收到该应答信号之后，EEPROM 会继续输出下一组8 位数据。如果此时没有收到主控器件的应答信号，EEPROM 将会停止数据的读出，直到主控器件返回一个停止命令才能结束读周期。（6）器件复位：在协议下电、中断或系统复位后，器件可以通过以连续输入 9个时钟、在每个时钟周期中确保当SCL 为高电平时SDA 也为高电平、建立起始条件实现。图3-27 AT24C02总线时序图3.1.7 LCD液晶显示器的选择液晶显示器具有微功耗、显示内容丰富、体积小、超薄轻巧等诸多优点，本设计选用的液晶显示器是LCD1602。该液晶显示模

41、块可以显示两行，每行有16个字符，采用5V直流电源供电，其外围电路配置简单，因此具有很高的性价比。3.1.7.1 LCD1602的参数（1）显示容量:162个字符。（2）模块最佳工作电压:5.0V。（3）字符尺寸:2.954.35(WH)mm。（4）芯片工作电压:4.55.5V。（5）工作电流: 5.0V电压下2.0mA。3.1.7.2 LCD1602的引脚说明该模块采用标准的14脚（无背光）接口，其模块结构与引脚如下图下图3-29所示：图3-28 模块实物图图3-29 模块结构与引脚示意图（1）第1脚：VSS接地。（2）第2脚：VDD接5V电源。（3）第3脚：VL为液晶显示器的对比度调整端，

42、接地时对比度最高，接电源时对比度最低，如果对比度过高时就会产生“鬼影”，在实际应用中应通过一个10K的电位器调整其对比度。（4）第4脚：RS为寄存器选择端，当为低电平则选择指令寄存器，当为高电平则选择数据寄存器。（5）第5脚：R/W为读写信号线，低电平时进行写操作、高电平时进行读操作。当R/W和RS都为低电平时则可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平而R/W为高电平时则可以读忙信号，当RS为高电平而R/W为低电平时则可以写入数据。（6）第6脚：E端（使能端）。当E端从高电平跳变为低电平时，该模块执行命令。（7）第714脚：D0D7为8位双向数据线。3.1.7.3 LCD1602时序图图3-3

43、0 LCD1602读操作时序图3-31 LCD1602写操作时序3.1.7.4 LCD1602的控制表3-1 LCD1602控制指令表指令功能清屏清DDRAM和AC值归位AC=0，光标、画面回HOME位输入方式设置设置光标、画面移动方式显示开关控制设置显示、光标及闪烁开、关光标、画面位移光标、画面移动，不影响DDRAM功能设置工作方式设置（初始化指令）CGRAM地址设置设置CGRAM地址。A5A0=03FHDDRAM地址设置DDRAM地址设置读BF和AC值读忙标志BF和和地址计数器AC值写数据数据写入DDRAM或CGRAM读数据从DDRAM或CGRAM数据读出表3-2 LCD1602寄存器选择

44、控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01忙标志以及读取位址计数（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据3.1.8 电磁继电器的选择3.1.8.1 电磁继电器的定义及原理其定义为：在电气输出电路中，当输入量也即激励量的变化达到规定的要求时，使得被控量发生预定的阶跃性变化的一种电器。继电器是实际意义上是一个用小电流来控制大电流操作的“自动开关”，安装在相互作用的控制系统（输入电路）和控制系统（输出电路）之间。因此，继电器在电路中起着自动调节，安全保护，转换电路的作用32。电磁继电器包括铁芯、线圈、触点弹簧、衔铁。其原理为：在继电器两端加上一定电

45、压时，线圈流过恒定电流产生电磁效应，衔铁将被吸引克服触点弹簧弹力返回吸引的核心，从而使驱动衔铁的动触点与常开触点结合。当线圈断电时，电磁吸引力消失，衔铁返回到原来位置，在弹簧的反作用力，动触点与常闭触点分开，从而达到导通电路中的，切割的目的。3.1.8.2 JQC-3F电磁继电器本设计选用的电磁继电器是JQC-3F电磁继电器。该继电器由5V直流电源供电，共有5个引脚，其中一对线圈引脚、一个公共脚、一个常闭引脚、一个常开引脚。图3-32 JQC-3F电磁继电器实物图3.1.9 其他元器件的选择根据设计的需要，还需选择如下元器件：（1）逻辑门：或非门、或门、与门、非门。（2）开关元器件：微动开关、

46、自锁开关、拨动开关。（3）其他元器件：排阻、发光二极管、蜂鸣器、三极管、续流二极管、电位器。这些元器件的简单参数，如下表3-3所示：表3-3 其他元器件简单参数表元器件名称参数CD4001或非门四2输入或非门，5V电源电压输入（14脚）CD4002或非门双4输入或非门，5V电源电压输入（14脚）74HC04非门六反相器，5V电源电压输入（14脚）74HC08与门四2输入与门，5V电源电压输入（14脚）74HC32或门四2输入或门，5V电源电压输入（14脚）发光二极管5V电源电压输入A109-30排阻10K，精度2%蜂鸣器3.35.5V电压有源蜂鸣器IN9013三极管PNP型IN4148续流二极

47、管高频小信号微动开关4管脚自锁开关6管脚，双自锁SS12D07拨动开关3管脚电位器10K3.2 硬件电路的设计本设计是一种防酒驾和防疲劳功能的汽车安全系统设计，硬件电路部分可分为三大部分，分别是：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。其中，STC89C51单片机控制部分电路属于三大部分都需应用的电路，而蜂鸣器报警电路、继电器驱动电路则属于防止酒后驾驶部分和防止疲劳驾驶部分都需应用的电路。3.2.1 STC89C51单片机控制部分电路STC89C51单片机控制部分电路，也即单片机最小控制系统，主要由单片机、时钟电路、复位电路组成。如下图3-33所示：图3-33 STC

48、89C51单片机控制部分电路电路图3.2.1.1 时钟电路STC89C51单片机控制部分电路的时钟信号通常可以用两种电路获得：内部时钟方式和外部时钟方式。外部时钟方式：就是把外部已有的时钟信号输入到单片机内。该电路适用于使单片机的时钟和外部信号保持同步。内部时钟方式：在引脚XTAL1和XTAL2外接晶振。由于单片机内部存在一个高增益的反相放大器，当单片机外接晶振后，就构成了自激振荡器并且会产生振荡时钟脉冲信号。该电路中，两个电容起稳定振荡频率、快速起振的作用，一般电容的大小为：30pF10pF。在本设计中，选择的电容大小为22 pF。图3-34 STC89C51单片机控制部分电路的两种时钟电路

49、图3.2.1.2 复位电路在STC89C51单片机控制部分电路中，当振荡器运行时，RST引脚上到少需要保持两个机器周期的高电平输入信号，复位过程即可完成。此时，CPU将发出内部复位信号。内部复位操作是在检测到RST为高电平后的第二个机器周期的情况下进行的，此后每个周期都将重复进行复位操作，直到RST变为低电平。一般情况下，Vcc电源的上升时间不会超过1ms，片内振荡器启用时间在10ms以内。在这一情况下，通过把RST引脚接通10uF的电容再接到Vcc上并同时经过10K的电阻和地相连，就能产生上电自动复位。图3-35 STC89C51单片机控制部分电路的复位图3.2.2 继电器驱动电路图3-36

50、 继电器驱动电路图STC89C51单片机是一个弱电电子器件。一般情况下，其工作的电压大都为5V或着更低，其驱动电流也很小。但是在本设计中需要利用单片机在模拟现实环境的情况下实现防止酒后驾驶和防止瞌睡驾驶的功能，所以应该要用小电流控制大电流。继电器驱动电路可以有效的实现课题设计要求。继电器驱动电路包括的元器件如下表3-4所示： 表3-4 继电器驱动电路所需元器件3.2.3 蜂鸣器报警电路图3-37 蜂鸣器报警电路图本设计除了利用继电器驱动电路来模拟汽车点火过程，还加设有蜂鸣器报警电路，该电路的实际效果是，当车内酒精浓度超出阈值或者驾驶员处于疲劳状态驾驶时，蜂鸣器都会予以报警提醒。蜂鸣器报警电路包

51、含的元器件有一个或门、一个有源蜂鸣器、一个PNP三极管以及一个1K的电阻。其工作原理是：或门的一个输入端接防止疲劳驾驶部分的信号，另一个输入端接防止酒后驾驶的部分。当车内酒精浓度超出阈值或者驾驶员处于疲劳状态驾驶时，或门输出一个高电平，IN9013三极管导通，蜂鸣器开始报警。反之，当车内酒精浓度未超出阈值或者驾驶员未处于疲劳状态驾驶时，三极管不工作，蜂鸣器不报警。3.2.3 控制启动系统处于工作状态部分控制启动系统处于工作状态部分其现实意义在于，当车门关上，且检测到驾驶员已经在座位上时，汽车确定可以尝试去点火进行下一个步骤。图3-38 控制启动系统处于工作状态部分电路图3.2.3.1 霍尔传感

52、器电路图3-39 霍尔传感器电路图霍尔传感器电路包含的元器件有：两个OH137霍尔传感器、2个820电阻、2个22pF电容、一个CD4001。在实际应用中，两片霍尔传感器分别安装在汽车的两个前门门框上面，在车门的合适位置安装有磁性材料。当门打开时，磁性材料就会远离霍尔传感器，此时霍尔传感器3引脚输出一个高电平，反之，当门关上时，磁性材料就会靠近霍尔传感器，此时霍尔传感器3引脚输出一个低电平。因为这两个霍尔传感器的3引脚和CD4001（或非门）输入端相连，所以当两者输出为低电平时，CD4001接收到低电平输出高电平。3.2.3.2 控制启动系统处于工作状态部分逻辑门电路图3-40 控制启动系统处

53、于工作状态部分逻辑门电路图3.2.4 防止疲劳驾驶部分图3-41 防止疲劳驾驶电路图3.2.4.1 TTP23数字触摸传感器模块在方向盘上的布局图3-42 布局图3.2.5 防止酒后驾驶部分图3-43 防止酒后驾驶部分电路图3.2.6 电源开关电路设计该电路主要用到了电源接线端子和SS12D07拨动开关，通过拨动开关控制电源。图3-44 电源开关设计电路图3.3 系统的硬件电路设计图3-45 硬件电路总图图3-46 硬件实物总图图3-47 面包板实物图图3-48 第一块焊接板实物图图3-49 第二块焊接板实物图4 系统软件设计4.1 软件开发工具本次设计采用了C语言编程，用到的软件开发工具是K

54、eil C51 Vision2。其基本的操作步骤包括：创建项目，建立目标文件，进行编译等过程。图4-1 keil界面图4.2 程序流程软件设计采用了C语言编程和keil软件开发工具，将整个系统各功能进行模块化处理，其中各模块具有分工明确等特点。主函数只需要调用相应的模块程序，此外，还可以进行独立的修改和编写。模块化以后，主程序思路清晰便于理解，也方便以后对模块的整合和对功能的扩展。考虑到在设计过程中将系统软件编程分为：防止疲劳驾驶部分和防止酒后驾驶部分，故在完成流程图时需从这两方面着手。4.2.1 防止酒后驾驶程序流程设计4.2.1.1 主程序流程图设计该部分主要使用C语言的编写和运用了结构程

55、序模块化设计方法利用，A/D转换、外部中断等子程序模块实现其功能。图4-2 主程序流程图4.2.1.2 A/D转换流程图设计图4-3 A/D转换流程图4.2.1.3 LCD显示流程图设计图4-4 LCD显示流程图4.2.1.4 酒精浓度阈值设定流程图设计图4-5 酒精浓度阈值设定流程图4.2.1.5 蜂鸣器、继电器驱动电路流程图设计图4-6 蜂鸣器、继电器驱动电路流程图4.2.2 防止疲劳驾驶程序流程设计该部分只需要检测触摸时间差值来判断是否超于阈值，同时用按键来设定时间阈值。图4-7 防止疲劳驾驶部分主程序流程图4.2.3 控制启动系统处于工作状态部分图4-8 控制启动系统处于工作状态部分主

56、程序流程图5 系统调试与分析系统调试与分析包括两大部分：系统的硬件调试和分析与系统的软件调试和分析以及软、硬件一起调试分析。因为在调试过程中硬件和软件是分开来调试的，故而其具有一定的独立性，可以通过先调试硬件来发现软件错误、缺陷的方法完成。5.1 硬件调试硬件调试内容包括两大部分：准备调试部分的完成和硬件电路调试。5.1.1 准备调试部分的完成这一部分主要是采用硬件开发软件Protel完成对电路图的设计工作。Protel软件主要分为：电路原理图设计模块、PCB设计模块、PLD逻辑器件设计模块、电路信号仿真模块等多个模块组成，可以有效的实现电路的设计和分析。本设计主要是利用了Protel的电路原

57、理图设计模块绘制原理图。该电路原理图主要是由在库中代表电子器件的线路、图形符号以及结点等组成。其具有，灵活而丰富的编辑功能、强大的设计自动化功能、支持层次化设计功能等。 5.1.2 硬件电路调试与分析本设计主要需要对，霍尔传感器电路等进行调试。在调试过程中需要对单片机输入输出信号、芯片输入输出信号、管脚高低电平、电源供电、焊接情况等诸多方面进行调试。因最终完成的实物能够实现各功能，故硬件电路调试成功。5.2 软件调试与分析本次设计用到的软件开发工具是Keil C51 Vision2。所涉及到的软件调试是利用PROTEUS和Keil软件进行的联合调试。因在本设计中主要涉及实物的完成，在仿真中则主

58、要侧重单片机信号能否实现该功能，而不是根据硬件电路图中各电路去进行调试。如下图5-1和图5-2可以发现，防止疲劳驾驶部分和防止酒后驾驶部分均能够在仿真中实现其功能，这也就是说，在相对硬件独立的软件调试中，软件程序不存在大的问题，而下一步所需做的是软、硬件一起调试。图5-1 防止疲劳驾驶部分仿真图图5-2 防止酒后驾驶部分MQ-3预热仿真图图5-3 防止酒后驾驶部分工作仿真图图5-2为MQ-3预热仿真图，图5-3为防止酒后驾驶部分工作仿真图。在仿真图中，通过调节电位器的阻止来模拟MQ-3酒精气敏传感器检测到酒精气体并输出的模拟信号。其中往上调节则表示酒精浓度增加，继而会报警。另外可以通过按键设置

59、酒精浓度阈值。6 结论经过半年多时间的努力和学习基本上实现了本课题的既定要求。其中包括软件控制部分和硬件实物部分两大部分的完成。实现了硬件部分的三大主要模块部分，即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。其主要内容包括：(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) 防止酒后驾驶部分因本系统采用四个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。涉及有，霍尔传感器电路、数字触摸传感器模块、STC89C51单片机控制部分电路、逻辑门电路、蜂鸣器报警电路、MQ-3酒精浓度传感器驱

60、动电路、IIC存储器、8位模数转换、PO口上拉排阻、LCD1602显示模块、继电器驱动电路。设计实用性很强，故而具有广大的应用前景。参考文献1 J. Miura, M. Itoh, Y. Shirai. Toward Vision-based Intelligent NavigatorJ. IEEETrans. on Intelligent Transportation System, 2002, 3(2):136146.2 岳睿.警用呼气式酒精传感器的研究进展J.化学传感器，2006（9）:78.3 A. Piazzi, C. Guarino, M. Bertozzi, et al. Qui

61、ntic G2-splines for the Iterative Steering of Vision-based Autonomous VehiclesJ. IEEE Trans. on Intelligent Transportation System, 2002, 3(2):2736.4 Dhanaraj M，Manoj B S，et a1A New Energy EficientProtocol for Minimizing Multihop Latency in WirelessSensor NetworksProc of the 3rd IEEE Intl Confon Pervasive Computing and Communications，20051952025 工业和信息化部 2009 年汽车工业经济运行报告：产销量已居世界第一J/OL