一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計.

1、一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計朱正清I摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 各國城市建設(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)今國際交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重大難題之一。本文在研究國內(nèi)外防止酒后駕駛和疲勞駕駛的技術(shù)基礎(chǔ)上， 針對導(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。本系統(tǒng)設(shè)計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 語言編寫程序， 采用模塊化的獨(dú)立設(shè)計結(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課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 - -11.4課題研究內(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 -43.1元器件的選擇 - -43.2硬件電路的設(shè)計 - -253.3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 - -304系統(tǒng)軟件設(shè)計 -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)計朱正清11 緒論1.1 引言自1886年第一輛汽車在德國誕生以來， 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，為人類社會現(xiàn)代化的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。一百多年來，汽車不斷影響和改造著人們的生活方式，在帶來便捷的同時，也極大地拓展了人類的

5、活動空間，為人類生活營造出了一個快捷、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題是世界各國所面臨的一個普遍問題，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，雖然很多高收入國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， 按照這種趨勢發(fā)展， 到 2030 年時道路死亡人數(shù)將上升到大約每年240萬。此外，交通事故每年為 2000 萬至 5000 萬人帶來非致命傷害，而且這已成為致殘的一個重要原因。1.3 課題國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀隨著科技的發(fā)展， 針對防止酒后駕駛和防止疲勞駕駛的問題

6、， 人們找到了各種解決方法。其中包括檢測酒后駕駛的文章有：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，呈現(xiàn)的電阻值就會降低，半導(dǎo)體型呼氣酒精測試儀就是利用這個原理做成的。這種半導(dǎo)體在不同工作溫度時， 對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的視野。 利用汽車速度傳感器來監(jiān)測車輛的速度， 當(dāng)超過預(yù)先設(shè)定的車速后，一般為 40 km /h，啟動本系統(tǒng)，此外還需要連續(xù)檢測駕駛員的頭部圖像。檢測方法是，連續(xù)檢測幾幀駕駛員圖像，當(dāng)駕駛員有微小動作時，通過移動的像素數(shù)來判斷頭部的位置， 根據(jù)駕駛員五官的相對位置， 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)眨眼時間、睜閉程度、眨眼頻率等，利用人眼在困倦和清醒時的特征參

8、數(shù)估計出當(dāng)時狀態(tài)，在疲勞時予以報警。 其所有檢測的結(jié)果和車輛行駛狀態(tài)均將被同時保存在SD 卡中，當(dāng)發(fā)生事故時，可用于分析事故原因6。而我國也在機(jī)動車輛駕駛中駕駛安全測評方法的研究上取得了一定的理論成績， 但目前為止，還沒有研究出實(shí)用的產(chǎn)品，和發(fā)達(dá)國家相比存在著很大的差距。因此，在我國，研究防酒駕和防疲勞的意義是顯而易見的。1.3.1國外研究現(xiàn)狀1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀1.4 課題研究內(nèi)容一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計， 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 語言編寫程序， 采用模塊化的獨(dú)立設(shè)計結(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)計是一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計， 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，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，不需要其他計算機(jī)，用戶便可以與其進(jìn)行交互工作，完成對數(shù)據(jù)的采集、計算、分析、判斷、處理、存儲等過程。(2) 系統(tǒng)具有小型化、低功耗、高性價比、高靈敏度等特點(diǎn)。(3) 從便攜式的角度出發(fā)， 系統(tǒng)通過微動開關(guān)設(shè)置時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 語言進(jìn)行編寫， 在兼顧實(shí)時性處理的同時， 也方便了對數(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， 且對汽車點(diǎn)火及報警具有相對獨(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)用價值。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計朱正清43 系統(tǒng)的硬件設(shè)計本系統(tǒng)由四個1.5V 的干電池對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)是單片微型計算機(jī)譯名的簡稱， 在國內(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、只讀存儲器 ROM 、隨機(jī)存儲器 RAM 、串行口和 I/O 口、中斷系統(tǒng)、定時器 /計數(shù)器等?，F(xiàn)在的單片微機(jī)已不僅指單片微型計算機(jī)，還包括微計算機(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 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 只讀程序存儲器，片上的 Flash 可允許程序存儲器在系統(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：看門狗定時器、全雙工串行口、4 字節(jié)的 Flash、片內(nèi)晶振及時鐘電路、 2 個數(shù)據(jù)指針、 512 字節(jié)的 RAM 、 3 個 16 位定時器 /計數(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，其是一個 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，上電復(fù)

15、位后處于開漏模式，這個時候需要外接 10K-4.7K 的上拉電阻。作為輸出端口時，每個引腳能驅(qū)動 8 個 TTL 負(fù)載，即能夠以吸引電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，并對端口 P0 寫入 “1時”，可以作為高阻抗輸入端用。此外，在訪問數(shù)據(jù)存儲器和外部程序時，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， P0 口無需外接上拉電阻，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（吸收或者是輸出電流方式）4 個 TTL 負(fù)載。對端口寫入 “

16、1”時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。當(dāng)P1 口作為輸入端口使用時，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輸出一個ILL 。此外， P1.0 和 P1.1 還具有第二功能，具體參見下圖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 （吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 負(fù)載。對端口寫入 “1”時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。當(dāng)P2 口作為輸入端口使用時，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、會輸出一個ILL 。當(dāng)在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如，執(zhí)行 “MOVX R1” 指令）時， P2 端口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容，在整個訪問期間不會改變。當(dāng)在訪問外部程序存儲器或者16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如，執(zhí)行 “MOVX DPTR” 指令）時， 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 （吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 負(fù)載。對端口寫入 “1”時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。當(dāng)P3 口作為輸入端口使用時，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輸出一個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)看門狗計時完成之后， RST 引腳就會輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR 上的 DISRTO 位可使該功能無效。而 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位在高電平有效。當(dāng)連續(xù)輸入兩個機(jī)器周期以上的高電平時，該引腳為有效，這可以用來完成單片機(jī)復(fù)位初始化的操作。XTAL1 （19 引腳）：振蕩器內(nèi)部時鐘反相放大器輸入端口和外部時鐘源的輸入

19、端口。XTAL2 （18 引腳）：振蕩器內(nèi)部時鐘反相放大器輸出端口，接外部晶振另一端。當(dāng)直接使用外部時鐘源時，可浮空。PSEN （29 引腳）：可作為標(biāo)準(zhǔn)I/0 口，也是外部程序存儲器選通信號輸出引腳。ALE（ 30 引腳）：可作為標(biāo)準(zhǔn) I/0 口，也是地址鎖存允許信號輸出引腳 /編程脈沖輸入引腳。在 Flash 編程時，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，也是訪問外部程序存儲器控制信號。當(dāng)需要從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令時，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)計朱正清

20、83.1.2氣敏傳感器的選擇3.1.2.1酒精濃度測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其血液中的酒精含量， 但由于檢測過程中需要對駕駛員進(jìn)行血樣采取，其操作過程復(fù)雜且耗時，在實(shí)際使用過程中，無法有效的應(yīng)用于駕駛員的自我檢測。因此，常用的方法是采用對測量呼出氣體的酒精濃度進(jìn)行檢測。人喝酒后，酒精會被腸胃的毛細(xì)血管吸收，通過肺動脈進(jìn)入肺部，血液會在肺泡中完成氣體的交換，這時含有的酒精氣體就會被呼出體外。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)會受到環(huán)境濕度、溫度、被測試者身體差異等諸多方面的影響，其檢測結(jié)果沒有直接測得的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了0.09 mg L 時，即判定為“飲酒”，超過 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，經(jīng)過單片機(jī)處理，來實(shí)現(xiàn)對被

22、檢測人員飲酒程度測試。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， 而酒精濃度的檢測是依靠酒精氣敏傳感器來實(shí)現(xiàn)對信號的采集。 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試器， 適合于現(xiàn)場檢測。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?；诒敬卧O(shè)計的要求和使用環(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、測量范圍寬的 MQ-3 氣敏傳感器，該傳感器對酒精氣體具有良好的選擇性、很高的靈敏度、快速的響應(yīng)、長期的壽命以及可靠的穩(wěn)定性，而其的驅(qū)動

23、電路也很簡單。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信號的提取。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 檢測電路檢測電路下圖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的四個管腳和數(shù)字萬用表相連。在測試過程中，數(shù)字萬用表調(diào)到歐姆檔。當(dāng)電源開關(guān) S 斷開時，傳感器兩端電流為零，傳感器停止加熱，實(shí)際測得A，B 之間的電阻值大于20M 。當(dāng)電源開關(guān) S 接通時，則傳感器 f 和 f 之間電流由開始時的 160mA 降到 150mA 時穩(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，如果將酒精溶液樣品接近 MQ-3 酒精氣敏傳感器時，可以立即看到萬用表顯示值由由原來的大于 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)的時間都很正常， 正是基于該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可以對防止酒后駕駛部分可以進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計。一種防酒駕和防疲勞功能的汽車安全系統(tǒng)設(shè)計朱正清10圖 3-8 MQ-3 檢測電路3.1.2.5MQ-3 靈敏度特性曲線當(dāng)溫度在 20、相對濕度在 65%、氧氣濃度在 21%、RL:200k時，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)計朱正清113.1.2.6MQ-3 輸出電壓與酒精濃度關(guān)系27通過實(shí)際測試， MQ-3 模擬端輸出的信號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氣敏傳感器的靈敏度有一定影響。當(dāng)環(huán)境濕度較低時， 氣敏傳感器的靈敏度則較低；當(dāng)環(huán)境溫度較高時，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)，指的是磁場作用于半導(dǎo)體或載流金屬導(dǎo)體中的載流子時， 而產(chǎn)生橫向電勢差的物理現(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 B，則在垂直于電流和磁場的方向上就會產(chǎn)生電動勢 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)測量磁場：U KIB / d（ 3-2）利用霍爾效應(yīng)可以制造精確測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器高斯計。高斯計有別于傳統(tǒng)的特斯垃計 28 。高斯計探頭里裝上一個霍爾元件，在其里面是一個半導(dǎo)體薄片。電勢差用毫伏計來測量， 電流和靈敏度也可以用相應(yīng)儀器進(jìn)行測量，將測得的結(jié)果帶入該公式中就可以計算出磁感應(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，無磁性吸引力，但當(dāng)外加磁場作用時，就會表現(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磁場時，在磁力線的切割作用下產(chǎn)生電流。(3) 電磁無損探傷：該原理是利用霍爾元件檢測鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率在該泄漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的信號變化，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損探傷的信號， 從而可以有效地探測出缺陷存在位置。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成正比例的線性關(guān)系制作成多種可測量線性的傳感器。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)在動感檢測器上面加一些電子線路就能制作成報警器 39 。3.1.3.3霍爾傳感器本設(shè)計選用霍爾元件是 OH137，該霍爾開關(guān)電路是根據(jù)客戶對低成本高性能的實(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等組成，能夠有效的將變化磁場訊號轉(zhuǎn)變成數(shù)字電壓信號輸出。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)計需要，本設(shè)計選用的數(shù)字觸摸傳感器模塊是TTP223來代替電容式觸摸傳感器。TTP223 是觸摸鍵檢測 IC，其可以提供 1 個觸摸鍵。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)計朱正清153.1.4.1 TTP223的引腳說明圖 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，理論上電平有無數(shù)多個狀態(tài)， 例如 0V 、0.1V、0.2V0V ，對應(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。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)換成時間或頻率，然后根據(jù)定時器/計數(shù)器來獲得數(shù)字值。其具有用簡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 個比較器，因此其電路規(guī)模極大，價格偏高。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 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)換時序角度來看，又可稱之為流水線型AD ?，F(xiàn)階段在分級型AD 中，還加入了多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字量運(yùn)算時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DA 轉(zhuǎn)換器和比較器通過逐次比較的邏輯構(gòu)成，從MSB 開始，有順序地對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 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)字量變化一個最小的量時，模擬信號的變化量。其定義

35、為，滿刻度與 2n 的比值，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來進(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)換所需要時間的倒數(shù)。 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換的時間是毫秒級，屬于低速 AD ；逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換是微秒級，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。采樣時間是指兩次轉(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 /百萬次。3.1.5.3 ADC0832 的主要參數(shù)本設(shè)計選用 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，屬于模

36、數(shù)轉(zhuǎn)換逐次逼近型。（2）5V 電源供電時，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 時鐘頻率下，其轉(zhuǎn)換時間為32s。（7）具有雙數(shù)據(jù)輸出作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)來減少數(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 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，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)計朱正清18（3）CH1：模擬輸入通道 1，當(dāng)差分輸入時，可作IN+ 或 IN- 使用。（4）DI ：選擇通道控制，數(shù)據(jù)信號輸出。（5）DO：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)信號輸出。（6）CLK ：芯片時鐘信號，串行時鐘輸入端。（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 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，并不是同時有效且與單片機(jī)的接口是雙向的，所以，在電路設(shè)計時可將 DO 和 DI 并聯(lián)在同一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng) ADC0832 沒有工作時， CS 輸入端接高電平，芯片被禁用， DO/DI 和 CLK 的電平信號可任意選擇。 當(dāng)需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時，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，處理器向芯片時鐘輸入端提供時鐘脈沖信號， DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1 個時鐘脈沖信號到來之前 DI 端必須為高電平，該表示啟動位。當(dāng)在第2、第 3

39、 個時鐘脈沖到來之前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，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，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，只需要對 CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)配置 2 位數(shù)據(jù)是 1、1 時，只需要對 CH1 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)?shù)?3 個時鐘脈沖到來后， DI 端輸入的電平信號就沒有了輸入作用，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)信號的讀取。 從第 4 個時鐘脈沖開始， 由 DO 端口輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 D7，之后每一個脈沖 DO 端則輸出下一位數(shù)據(jù)信號。 當(dāng)?shù)?11 個脈沖發(fā)出最低位數(shù)據(jù) D0 時，這一字節(jié)的數(shù)據(jù)信號輸出宣告完成。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 個時鐘脈沖輸出 D0，之后輸出 8 位數(shù)據(jù)，直到第 19 個脈沖時數(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)計朱正清19圖 3-24時序圖3.1.6 IIC存儲芯片

41、的選擇本設(shè)計選用的 IIC 存儲芯片是 AT24C02。該是美國 Atmel 公司生產(chǎn)的低功耗 CMOS 型 E2PROM，其內(nèi)含 256 X 8 位存儲空間，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 16 字節(jié)頁的寫緩沖器，該芯片通過I2C 總線接口進(jìn)行操作，具有一個專門寫保護(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器件級聯(lián)接時設(shè)置器件地址，當(dāng)懸空時默認(rèn)為低電平。 AT24C02 最大可以級聯(lián) 8 個器件，如果僅有一個 24C02 被總線尋址，則這三個地址輸入腳可懸空或接地。（2）SCL：串行時鐘輸入引腳，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 由高變低這一過程被視為結(jié)束命令，在一個讀操作后，停止命令將使 EEPROM 進(jìn)入等待狀態(tài)的低功耗模式。（3）時鐘及數(shù)據(jù)傳輸： SDA 引腳一般會被外圍器件拉高。其引腳的數(shù)據(jù)應(yīng)在SCL為低電平時變化；當(dāng)數(shù)據(jù)在 SC