防酒驾和防疲劳系统的设计与研究

（华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013）

0 引言

每年全球的道路交通事故多达10亿次，占到了全球安全事故的90%[1]，而酒后驾驶和疲劳驾驶是造成道路交通事故的重要原因。国内外在防止酒后驾驶上进行了广泛而深入的驾驶安全研究工作。发表的论文在设计防酒驾系统的时候，大都是驾驶员一旦进入驾驶室，系统自动启动并使车辆点火开关处于断电状态，但忽略了车门未关上时对测量结果的影响以及出现他人代为启动车辆的情况发生。而国内外对疲劳驾驶的研究还停留在理论和方法的探索上，没有系统的标准和完善的解决方案[2]。此外，目前关于防止酒后驾驶和防止疲劳驾驶的安全系统都是相互独立的，这也导致了资源浪费和车辆安全系统的复杂性。

因此，设计的系统提供了一种体积小、便于安装、成本低、简单有效具有自动检测和报警功能的智能防酒驾和防疲劳系统，能有效地减少酒驾和疲劳驾驶情况的发生，给司机和行人带来保障。

1 系统设计

系统以单片机为控制核心实现对霍尔传感器、触摸传感器、酒精气敏传感器的信号处理，主要由STC89C51单片机模块、电源模块、霍尔传感器电路、触摸传感器模块、酒精气敏传感器模块、微动开关、报警电路、继电器驱动电路、逻辑门电路、LCD显示模块等组成，如图1所示。具有功耗低、自动检测、智能化、兼具有防酒驾和防瞌睡功能等特点，将系统安装在车辆上，可以实现防止酒后驾驶和防止瞌睡驾驶的功能。结合实际情况，本系统分为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三大部分，由电源模块对防止疲劳驾驶部分进行电源供电，由从单片机和霍尔传感器共同控制防止酒后驾驶部分的电源：

1）控制启动系统处于工作状态部分，主要是利用霍尔传感器和从单片机检测到的微动开关信号构成正顺序状态给防止酒后驾驶部分供电。

2）防止疲劳驾驶部分，主要是利用电容式触摸传感器构成的数字触摸传感器模块进行信号采集并通过从单片机对报警电路和继电器驱动电路进行控制。

3）防止酒后驾驶部分，主要是利用酒精浓度传感器检测车内酒精浓度进行信号采集并通过主单片机对报警电路和继电器驱动电路进行控制。

2 主要硬件电路设计

2.1 霍尔传感器电路

霍尔传感器电路包含的元器件有：OH137霍尔传感器、820Ω电阻和22pF电容各2个、一个或非门。

两个霍尔传感器分别安装在车辆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，磁性材料远离霍尔传感器，此时霍尔传感器输出一个高电平，反之，霍尔传感器输出一个低电平。霍尔传感器输入的信号通过或非门输出。

2.2 触摸传感器模块电路

考虑到稳定性、灵敏性、选择性、低功耗和宽电压，设计选用TTP223型数字触摸传感器模块作为电容式触摸传感器模块，并选用3个触摸传感器模块放置在方向盘上，输出的信号输入CD4002并由管脚1输入到从单片机中。将模块的A和B焊盘断开，管脚Q的功能选择是直接模式、高电平有效CMOS输出，管脚OPDO的功能选择是直接模式、高电平有效漏极开路输出。

模块的管脚1接5V电源模块，管脚2为输出端，管脚3为接地端。

图2 触摸传感器模块电路图

2.3 酒精气敏传感器模块电路

设计选用MQ3型酒精传感器，探测空气中酒精溶度范围100×10-9～2000×10-9，浓度上限值为0.2%，主要包括两个部分，信号输出回路和加热回路，可以将酒精含量准确的通过传感器表面的电阻变化进行反映，并通过与其串联的负载电阻上的有效电压信号输出模拟电压量[3,4]。将模拟信号通过放大器LM393进行放大，输入到ADC0832中。MQ3型酒精传感器在接触到酒精气体之后，A端和B端之间的电阻值发生改变，并且当酒精浓度越大，B点电位越高，经放大器获得的电压也越大[5]。

图3 酒精气敏传感器模块电路图

2.4 A/D数据转换电路

设计选用模/数转换芯片ADC0832将放大后得到的模拟电压转换成数字量送入到主单片机中。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，因此在设计时将DO和DI并联在同一根数据线上使用。

2.5 继电器驱动电路

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，包括公共脚、常闭引脚和常开引脚各1个及一对线圈引脚。

继电器驱动电路设置有一个自锁开关，其一端接电源，另一端和74HC08输入端相连。当车内酒精浓度没有超标或者驾驶员没有处于疲劳驾驶状态时，输入继电器驱动电路中的74HC32输出一个低电平，74HC08输出一个低电平，由IN9013构成的复合管不导通继电器线圈不得电，所对应的发光二极管亮，表示车辆可以正常启动。当车辆未行驶时，车内酒精浓度超过阈值，驱动电路中的74HC32输出一个高电平，复合管导通，继电器线圈得电。继电器的常闭触点断开，常开触点闭合，电机不能正常运行，车辆不能启动。当车辆行驶过程中，车内酒精浓度超过阈值或者驾驶员处于疲劳状态，通过74HC32输出的高低电平变化，将电机减速，直至停止。

发光二极管B可以显示继电器工作的状态。

图4 继电器驱动电路图

2.6 报警电路

系统选择了蜂鸣器报警电路。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。

报警电路包含的元器件有或门、有源蜂鸣器和PNP三极管各一个等。或门的输入端分别接入防止疲劳驾驶部分的信号和防止酒后驾驶部分的信号。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，三极管导通，蜂鸣器开始报警。反之，蜂鸣器不报警。

2.7 控制启动系统处于工作状态部分

该部分电路包括：从单片机控制部分电路、霍尔传感器电路、逻辑门电路，以及其他元器件构成的电路。

在驾驶座上安放一个微动开关用于检测驾驶员是否已经在座位上，当车门关上时，霍尔传感器电路中的或非门输出一个高电平。当微动开关被按下时，从单片机检测到一个低电平信号，P2.0输出一个高电平。这两个高电平作为与门的输入端，此时NPN型三极管导通，从而给防止酒后驾驶部分进行电源供电。

2.8 防止酒后驾驶部分

该部分电路包括：主单片机控制部分电路、酒精气敏传感器模块、逻辑门电路、报警电路、继电器驱动电路、IIC存储器、A/D数据转换电路、LCD1602显示模块，以及其他元器件构成的电路。

当控制启动系统处于工作状态部分开始工作时，防止酒后驾驶部分开始得电，MQ-3酒精浓度传感器开始得电处于加热状态，当加热完成之后，LCD会显示设定的酒精浓度阈值和空气中的酒精浓度。主单片机将信号通过逻辑门电路对报警电路进行控制并通过主单片机P2.4口输入到或门中，从而控制继电器驱动电路。此外，根据对接入GPS定位模块、GSM模块的需要，主单片机可以通过IIC存储器将设定的酒精浓度阈值和GPS定位模块、GSM模块的数据存储在AT2402中。

2.9 防止疲劳驾驶部分

该部分电路包括：从单片机控制部分电路、触摸传感器模块、逻辑门电路、报警电路、继电器驱动电路，以及其他元器件构成的电路。

将触摸传感器模块等120°安装在方向盘上。当驾驶员触摸在触摸传感器模块LC面时，模块的信号经过或非门给从单片机输入一个低电平，从单片机的P2.3端口输出的信号经过非门变成低电平输出。输出的信号分为两路，一路直接控制继电器驱动电路，另一路通过自锁开关控制蜂鸣器报警电路。当超过时间阈值仍没有触摸LC面时，报警器报警，继电器驱动电路不工作或者做减速工作。此外，在从单片机P3.2、P3.3端口各设置一个微动开关，微动开关一端接地。当按压一次与P3.2端口相连的微动开关时表示时间阈值加5S，当按压一次与P3.3端口相连的微动开关时表示时间阈值减5S。

3 系统软件设计

系统采用C语言进行编程，模块化程序设计，在兼顾实时性处理的同时，也方便了对数据的处理。主要包括主单片机和从单片机程序设计[6～8]。

3.1 主单片机程序设计

图5 主程序流程图

主单片机程序流程如图5所示，主单片机开始系统初始化，读取AT2402中存入的上次酒精浓度阈值数据，可通过按键调整酒精浓度阈值数据并传入到AT2402。启动ADC0832采集空气中的酒精含量，处理数据，LCD液晶显示及进行报警。检测到的信号输入到或门中对继电器驱动电路进行控制。

3.2 从单片机程序设计

从单片机程序流程如图6所示，从单片机开始系统初始化，检测CD4002输出的信号，从单片机输出的信号与霍尔传感器输出的信号通过74HC08控制防止酒后驾驶部分的供电。

图6 主程序流程图

4 系统测试

系统测试主要用来检验系统的实用性以及存在的问题。为了达到测试效果，确定系统的实用性和可实现性，在防止疲劳驾驶部分：通过设有自锁开关，可以打开和关闭系统的防止疲劳驾驶功能，从而验证系统的防止酒后驾驶功能，通过加入按键调整触摸时间间隔阈值，方便用户自己设定反应时间，验证防止疲劳驾驶功能；在防止酒后驾驶部分：通过加入按键调整酒精浓度阈值，验证酒精气敏传感器和AT2402的功能；在驱动电路中：通过继电器的工作和其对应的发光二极管来代替车辆发动机的运行情况，通过自锁开关代替车钥匙，按下开关相当于对系统进行供电。

图7 系统测试实物图

5 结论

通过对系统功能的研究和测试的结果显示，基本上实现了系统的设计要求。系统能够通过霍尔传感器和主驾驶座位下面的微动开关实现对防止酒后驾驶部分供电，并确保车门关上、驾驶员坐在座位上。在车辆未行驶时，通过触摸传感器可以在检测驾驶员是否处于疲劳状态的同时也可以控制报警电路和使发动机不能启动，通过酒精气敏传感器可以在实时检测酒精含量的同时也可以控制报警电路和使发动机不能启动。在车辆行驶过程中，系统可以实现对其强行减速直至停止。同时系统预留了一定的I/O口，具有很强的扩展性，可以加装一些车辆辅助系统，如车速检测、GPS定位、短信发送等功能[9,10]。

系统解决了车门未关上时对测量结果的影响以及出现他人代为启动车辆的情况发生，实现了兼具防酒驾和防瞌睡的功能，体积小、成本低、简单有效便于安装，只需稍微改进就能应用到车载中，具有很强的使用价值和社会意义。