1、 河南大學民生學院本科畢業論文目錄摘 要：11 前言21.1 什么是疲勞21.2 疲勞駕駛與交通事故21.3 怎么預防疲勞駕駛21.4 小結32 本設計的總體思路及其理念32.1 理論基礎32.2 AT89C2051單片機的芯片管腳介紹32.3 設計方案53 系統硬件部分的設計63.1 心率采集電路63.2 單片機控制電路83.3 小結104 系統軟件部分的設計104.1主程序設計 104.2 定時程序設計114.3 中斷子程序設計134.4 顯示子程序設計155 軟件調試175.1 調試軟件的介紹175.2 調試結果176總結18參考文獻1919基于單片機的汽車疲勞駕駛報警系統徐文燕（河南大

2、學民生學院，河南 開封，475004）摘 要： 汽車已經成為我們人類生活中的一種必需交通工具，不僅與我們的生活是息息相關，而且與我們的生命安全關系密切。因為疲勞駕駛造成的交通事故已經嚴重的威脅到我們的生活，所以能夠幫助降低一定概率的交通事故的儀器實用性是很強的。 設計描述的是一個基于AT89C2051單片機的汽車疲勞駕駛檢測預警系統。它可以用來檢測汽車駕駛員的疲勞程度，使用此心率計在一定程度上降低交通事故。而且，它的檢測方式是非接觸式的，使用紅外線檢測駕駛員的心率;然后，由單片機系統判斷其是否處于疲勞駕駛狀態，將顯示結果使用LCD液晶顯示屏顯示出來，并進行語音提示。設計簡單實用，有很高的實用價

3、值。關鍵詞： 疲勞駕駛；疲勞檢測；預警系統Driving alarm system of automobile fatigue based on single chip microcomputerXu wen-yan(School of minsheng , Henan University, Henan Kaifeng 475004, China)Abstract: The cars have become essential transport for human life, not only with our lives are closely linked, and are close

4、ly related to our life safety. Because accidents caused by driver fatigue has been a serious threat to our lives. So the instrumentspracticabilaity is very strong, because it is possible to help reduce the probability of a traffic accident. This paper describes a drowsiness early warning system dete

5、ction based on AT89C2051 Single-chip Microcomputer. It is using on determine the drivers lever of attention，a certain extent ，it can reduce the number of traffic accident. Besides，the method of detection is untouched, and using infrared inspection detect the drivers heart rate; The Single-chip Micro

6、computer will judge whether he is in the fatigue driving state, LCD will display the results and voice prompt. This design is simple and practical with high value.Key words: Fatigued dirving; faitigue detection; early warning system1 前言在高速發展的現代，擁有汽車的人是越來越多，交通越來越擁擠，正是因為如此，交通事故也越來越頻發，這就促使人們正視這一問題。而在交通

7、事故中，因為駕駛員疲勞駕駛引起的事故，占其中相當大的一部分，疲勞駕駛已經成為威脅我們生命的一大危害，了解疲勞駕駛以及它引發的一些變化，有助于我們找到原因以及克服它的方法，可以在駕駛員行駛時發生突發或者無意識的疲勞困倦進行警醒，從而一定程度上避免車禍的發生。1.1 什么是疲勞駕駛疲勞駕駛就是駕駛員較長時間維持一個姿勢或者休息時間不夠等原因造成的反映遲鈍，駕駛員打盹、疲乏、操作不當甚至完全喪失駕駛能力就是它的主要表現。并且，疲勞駕駛不僅反映在心理上，還反映在生理上。心理上的反應包含反應時間延遲、出現動作不協調、大腦注意力分散等；生理反應上包括神經系統、血液、眼睛、握力等的變化。1.2 疲勞駕駛與交

8、通事故據相關調查顯示，發生交通事故的原因百分之八十五是與駕駛員有關的，環境與車輛的因素只是占到百分之十五，司機在事故發生前的那么一瞬間的行為以及故障會直接導致交通事故的發生，知覺上的延遲、對危險情況的錯誤抉擇、對環境的決策錯誤等就是導致交通事故的一些因素；而在所有的駕駛員所犯的錯誤中，決策錯誤和知覺延緩是最為常見的，而這些就會使駕駛員產生反應遲鈍、注意力不集中等反應，產生這些錯誤的根本的原因就是疲勞駕駛。所以，在一定程度上制止駕駛員疲勞駕駛這一行為現象，就能有效的減小交通事故發生的概率。1.3 怎么預防疲勞駕駛許多的國家已經意識到疲勞駕駛的問題，對于它的研究工作早期上主要是使用在醫學角度上，是

9、在醫療器械的幫助下實現的，這些研究可以追溯到上個世紀三十年代美國交通部下轄的洲際商業協會對城市商業機動車輛的駕駛員服務時間的管理條例的合理性進行的調查；而實質性研究汽車駕駛員與疲勞駕駛的關系是從上世紀八十年代初開始的，由美國國會批準交通部實施改革駕駛服務時間，探索駕駛員和道路安全的關系，提高完善公共汽車安全法規開始的，我們發現疲勞駕駛研究的高度提高到了立法，可以在一定程度上保證疲勞駕駛研究的有效性、合法性和持續性7。研究工作大致上可以分成兩類：第一類是研究疲勞困倦產生的原理和其他各種疲勞困倦的誘因，找到降低此種危險的方法；第二種是研究車輛的智能報警系統以及相關可以警醒的用具，來防止駕駛員產生疲

10、勞，并在疲勞的狀態下行駛。駕駛員在疲勞駕駛時會有很多不同的反應及其狀況出現在身體上，對于它們的檢測大致上可以將其分為以下三類狀況，一類是基于駕駛員的生理特征上的疲勞駕駛檢測識別技術（如疲勞時人的心率、腦電圖、肌電圖、呼吸狀態、脈搏頻率等會有變化）；另一類是基于駕駛員頭部或面部特征的疲勞駕駛檢測識別技術（如疲勞時人的部表情、眼睛眨動的頻率、注視的方向、瞳孔的直徑等的變化）；第三類是基于駕駛員操縱車輛的特點和所駕駛車輛的特性的疲勞駕駛檢測識別技術（如疲勞時人的握力、車輛的行駛軌道等會有變化）。 基于此，本設計選取就是駕駛員在疲勞駕駛時他的生理特征的變化，即脈搏的變化來對其進行是否處于疲勞狀態進行辨

11、別。1.4 小結疲勞駕駛所造成的危害是不言而喻的，所以，對汽車疲勞駕駛的研究是必要的，對汽車疲勞駕駛智能報警系統的開發是可行且必須的。2 本設計的總體思路及其理念2.1 理論基礎單片機是一個不帶外部設備的微型計算機。它是20世紀70年代中期發展起來的一種大規模的集成電路芯片（1971年inter公司研制出世界上第一個四位微處理器），是集合CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統于一體的電子設備。單片機是一個軟硬結合的產物。它具有集成度高（highly integrated）、功能強大（powerful）、體積小（small）、靈活（flexible）、穩定可靠（reliable）、價格低廉

12、（inexpensive）等許多的特點。上世紀八十年代以來，單片機發展十分的迅速，各種新型高性能的機種產品不斷地出現在市場上，單片機順利成章的已經成為工廠實現自動化和各控制領域的支柱產業之一。單片機的基本端口操作和基本功能，包括單片機的定時、中斷、I/O端口以及簡單的外部器件的設計等，這些都需要去了解設計，才能成功完成一個設計。2.2 AT89C2051單片機的芯片管腳介紹本設計使用的是AT89C2051單片機;圖2-1 AT89C2051單片機的引腳配置圖此單片機有20個引腳，相關引腳配置如圖2-1所示。它各個管腳的功能是： VCC 電源電壓； GND 接地； RST 復位輸入；當RST變為

13、高電平并維持了2個機器周期時，所有的I/O引腳都被復位達到高電平8； XTAL1 內部時鐘工作電路的輸入端、反向振蕩器的輸入端8； XTAL2 反向振蕩放大器的輸出； P1口 8位雙向I/O口；P1.0和P1.1兩個端口需要外部上拉，可以用作片內精確模擬比較器的正向輸入（AIN0）、反向輸入（AIN1）8；引腳 P1.2P1.7提供內部上拉，當作為輸入且被外部下拉為低電平時，它們就輸出電流，這是因內部上拉的緣故8。P1口的輸出緩沖器能接收20mA的電流，并且能直接驅動LED顯示器；P1口的引腳寫入“1” 后，可以用作輸入8。在閃速編程和編程校驗期間，P1口也可以接收編碼數據8。 P3口 引腳P

14、3.0P3.5和P3.7是7個帶內部上拉的雙向I/0引腳；P3.6在內部已經與片內比較器輸出相連，所以不能作為通用的I/O引腳訪問8。AT89C2051的性能指標有：與MCS-51產品指令系統完全兼容；2k字節可重擦寫閃速存儲器；1000次擦寫周期；2.7V-6V的工作電壓范圍；全靜態操作：0Hz-24MHz；兩極加密程序存儲器；128字節內部RAM；15個可編程I/0口線；2個16位定時/計數器；6個中斷源；可編程串行UART通道；可直接驅動LED的輸出端口；內置一個模擬比較器；低功耗空閑和掉電模式。2.3 設計方案2.3.1 檢測方法此設計采取的方法用紅外線來檢測人體脈搏，因為光能避開很強

15、烈的電磁干擾，具有很強烈的絕緣性，并且可以做到非侵入式的檢測脈搏波。它采用紅外線來檢測并采集駕駛員的脈搏，所檢測部位可以為被檢測人的一個手指或耳垂（對于駕駛員來說檢測耳垂會比較不影響他的駕駛，如果制造成藍牙耳機的樣式會更加實用方便）。2.3.2 檢測原理此設計的檢測基本原理是：人體組織中的血液流量伴隨著心臟的搏動而產生變化，血管中血液的飽和度發生變化，那么人體組織的半透明度也會因此被改變。當血液被送到人體各部分的組織時，血管中的血液飽和度就會變大相應的組織的半透明度就會減小；當血液重新流回到心臟時，人體組織血管中的血液飽和度變小，相應的它的半透明度就會增大。因此，如果在人體組織相對比較薄弱的地

16、方（例如指尖和耳垂）用紅外發光二極管產生的紅外線照射，就可以用紅外三極管接收并將其轉換為電信號。因為用上述方法測試得到的脈搏信號跟人體的脈搏頻率成正比，脈搏信號只要通過一定功能的電路轉換成的 脈沖信號并對其進行相應的處理，就可以實現檢測的脈搏頻率被隨時檢測的目的。而如果檢測到的脈搏頻率低于或者高于正常值的百分之二十時，單片機對其進行分析輸出，然后驅動報警電路，對駕駛員進行報警，從而實現其智能。2.3.3 系統設計方案綜上，設計系統框圖及其說明如圖2-2所示：紅外檢測與采集脈搏信號抗干擾及濾波信號整形與放大單片機AT89C2051報警系統液晶屏顯示圖2-2 設計系統框圖3 系統硬件部分的設計 在

17、硬件部分，電路主要完成的是心率采集和心率數據處理的功能，那么可以將整體電路分為心率采集和單片機控制電路。3.1 心率采集控制系統圖3-1 心率采集處理電路心率采集處理電路如圖3-1所示。紅外檢測采集電路模塊：由D1和Q1組成的紅外檢測元件等組成；信號整形電路模塊：RC振蕩電路（由電阻R2和和電容C1組成）、光電隔離電路、一階低通濾波電路，它們共同構成了信號抗干擾電路組；另外，它們和IC1b、C5與R10、IC1c共同組成信號整形電路。以上三個主要的模塊組成心率采集電路。心率采集處理電路工作過程如下：電路中的紅外線二極管D1發射紅外線照射到耳垂或指尖部位，然后紅外接收三極管Q1接收相應人體部位的

18、半透明度，電信號就這樣被轉換出來了。據相關資料顯示，大多數人體的脈搏是在五十次每分鐘和兩百次每分鐘之間，這樣經過計算可得到的頻率范圍大致就在0.78Hz和3.33Hz之間，由此可知，經由紅外設置得到的脈搏頻率會很低。那么，外界高頻信號會很容易地干擾到脈搏信號而出現錯誤，所以，信號在進入單片機系統之前就必須先進行處理才能夠使用。電路中采用C1和R2組合進行低通濾波，可以濾除絕大多數的高頻干擾。然而，由于本系統設計的使用場所為室外，室外光線相對室內明亮許多，因此它很大可能會遇到強光輻射的情況。電容C2和電容C3背靠背串聯組成的雙極性耦合電容的設計，可以避免室外強光干擾接收脈搏時的紅外線（它們構成了

19、一個簡單的光電隔離電路，從而使干擾光線被隔離）。另外，為了徹底濾除高頻干擾，使用由IC1a、電容C4、電阻R4組成的截止頻率為10Hz左右（）的低通濾波器電路，又把輸入的信號放大兩百倍左右（）。到這里我們就得到了經由前面處理所得到脈沖正弦波是有噪聲的，需要對它整形。先要正弦波信號經過比較器IC1b轉換成方波（電壓比較器可以實現將模擬信號轉換為二值信號的功能，即只有0和1兩種狀態的離散信號），而利用R8可以把比較器的閾值電壓調定在正弦波的幅值范圍之內。然后，信號經由電容C5和電路R10構成的微分電路（微分運算電路輸入方波，且RC遠小于時，就輸出尖頂波）方波進行微分處理就可以成為正負相間的尖脈沖。

20、得到的脈沖輸入到IC1c（單穩多諧振蕩器）的反相輸入端來穩定脈沖的輸出，然后IC1c的輸出就可以成為后面的實際需要。單穩多諧振蕩器IC1c在工作時，輸入信號一旦出現，輸出端就會輸出一個高電平，與此同時電容C6就會通過電阻R11充電。充電過程大約需要20毫秒，之后，因為電容C6充電電流的減小使得IC1c的同相輸入端電位降低，當反相輸入端的電位高于同相輸入端的電位時(此時尖脈沖已過去很久)， IC1c就將改變存在的狀態并再次輸出低電平。這20毫秒的時間所產生的脈沖是與人體的脈搏是同步的，電路D3發出紅光的閃爍情況會和信號脈沖相呼應。那么，此時就有了實際所需的脈沖信號，它經由電阻R12直接被送到AT

21、89C2051單片機的P3.3引腳，然后，經過系統的處理就可以實現后面的計數以及顯示了。電路中R14、R15對9V電壓分壓并經過IC1d緩沖所得到的4.5V電壓就是IC1a、IC1b、IC1c它們工作所需的電源電壓。這樣的設置，使得即使電池電壓降低到6V，電路也能實現正常工作。3.2 單片機控制電路圖3-2 單片機控制電路此部分介紹單片機控制電路如圖3-2所示.主要由以下幾部分組成：單片機（型號AT89C2051）；LCD顯示屏(SMC1602A)，顯示部分用來顯示數據；蜂鳴器，發出提示音；晶振電路，給單片機提供晶振；以及復位電路等幾部分。3.2.1 晶振電路在單片機系統中，有通用的晶振電路，

22、它是一種非常典型的電路，分為外部時鐘方式和內部時鐘方式兩種4。此設計使用的晶振頻率是12MHz，在晶振兩端接上負載電容構成三點式電容振蕩是為了幫助晶振起振，即XTAL1、XTAL2兩端口外接兩個33PF的諧振電容。當晶振電路能夠提供穩定的時鐘信號后，單片機就可以一步一步地從ROM中取指令執行程序43.2.2 復位電路復位電路和晶振電路一樣都是單片機系統中非常典型的外部電路4。從功能上復位電路的實現一般可以分為兩種 ：一種是使用電源復位，即外部的復位電路在系統上電之后直接使單片機工作，單片機的開啟和暫停都是通過電源控制的4;另一種方法就是在復位電路中設計了按鍵開關，通過設計的按鍵開關來觸發復位電

23、平，控制單片機的復位4。此設計采用的是第二種，當按下開關K且通電時，電容兩端便相當于是短路，單片機上的RST引腳上就會變成高電平，然后電源就會通過電阻給電容充電，RST端電壓慢慢降下，高電平就會變成低電平，單片機就會開始正常工作4。3.2.3 工作原理脈沖信號被心率采集電路處理后，所得結果與單片機的P3.3引腳相連。單片機的中斷觸發模式設定為負跳變觸發。當脈沖的下降沿到達時，AT89C2051就會被觸發產生中斷，相關程序就會對脈沖開始計時；當下一個脈沖的下降沿到達時，單片機就對前后相鄰下降沿之間的時間間隔計算，計算所得到的結果就是被檢測駕駛員的心率。這個結果由P1口送至液晶顯示芯片的DB端口，

24、數據進行處理后顯示出來。在液晶顯示屏顯示心率值之后，單片機將對此心率值與80次/分120次/分的人體正常脈搏范圍進行比較。若此心率值X為80X120，顯示芯片中會顯示“very good！”，以表示被測試者心率正常；若此值不在80到120范圍之內，即X80或者X120，那么，顯示芯片中就會顯示“a little bad！”，以便表示被測者心率不正常。另外，為更人性化而提示用戶及時觀察顯示屏上的心率值，電路中設置了一個蜂鳴器電路，由單片機系統驅動，當每次脈沖到來時，單片機的P3.7引腳所連接的蜂鳴器SP都會發出提示音提示用戶，那么，當用戶第二次聽到蜂鳴器發出的提示音時，就表明一分鐘的脈搏計數的顯

25、示已經完成。這樣，就可以用這種方法來提示駕駛者自己此時所處的狀態是否是正常的。此外，此設計的有效測量顯示范圍是50次/分到199次/分。為了避免可能被出現的干擾影響到檢測，在單片機對兩個脈沖之間的時間間距進行檢測時，即意外情況的出現使得到的心率次數值不在我們所設置的有效測量范圍之內時，就忽略該干擾并且不顯示。這樣子就更加降低了心率計在實際使用時所出現的誤差的可能性。3.2.4 元器件的選取設計中心率計的電源為七到九伏的直流電源，可以通過交直流轉換后來獲取到電壓，同樣的可以直接使用電池供電。正常工作時的電流為100mA。硬件電路中所使用的IC1a、IC1b、IC1c和IC1d是運算放大器IC1（

26、四運放LM324）的四路分配。使用普通蜂鳴器作為提示音裝置。單片機采用的是12MHz的晶振。在整合安裝時，可以把D1和Q1分別連接到藍牙耳機式裝置的耳垂前后的位置，剩余的電路板等各部件安裝在一個塑制小盒中，小盒可以放在駕駛員前的玻璃窗下面。為方便使用時進行按鍵操作和觀察，紅色發光二極管D3、蜂鳴器、復位鍵K1、液晶顯示器的顯示窗口都需要在塑制小盒的上方留出一定的放置位置。在實際使用時，駕駛員先將D1和Q1組成的藍牙耳機樣式的檢測裝置戴上，然后接通電源。心率計在正常工作時，能看到紅色發光二極管在閃爍，為提高安全系數，復位鍵K1被按下之后，單片機復位，并重新開始測量脈搏信號計數和顯示。在聽到第二次

27、蜂鳴器的提示音之后，顯示屏上觀察到的是被檢測者的心率，隨后可以看到之前顯示的心率是否正常的英文提示語。3.3 小結硬件部分的設計需要進行的是把脈搏信號通過一系列的電路轉化成為我們需要的、實際可用的方波，然后將方波輸入到單片機中去進行一系列的數據處理，然后驅動后面的LCD顯示屏顯示數據。4 系統軟件部分的設計4.1 主程序設計 主程序部分流程圖如圖4-1：初始化開中斷顯示程序開始圖4-1 主程序部分流程圖它的主要代碼為: ORG 0000H AJMP MAIN ;轉主程序 ORG 0013H ;中斷矢量地址 AJMP IP0 ;轉中斷服務程序起始地址 ORG 030HMAIN： MOV SP,#

28、60H ;設堆棧指針 SETB IT1 ;設為邊沿觸發模式 SETB EA ;CPU開中斷 SETB EX1 ;允許中斷 MOV R7,#00H ;計數器賦初值 LP: ACALL DISP ;調顯示子程序 AJMP LP IP0: INC R7 ;計數器加1 RET4.2 定時程序設計定時器子程序流程圖如圖4-2所示：關中斷保護現場設定時器初值小于50次/分？計時器R6加1蜂鳴器發音恢復現場開中斷返回大于200次/分？圖4-2 定時子程序流程圖主要代碼如下：CLR EX1PUSH ACCPUSH PSWMOV TH0，31HMOV TL0，30HMOV R7，31HLOOP1：CJNZ R7

29、, #50, LOOP3LOOP2：CJNZ R7,#200，LOOP4LOOP3：MOV A, C JZ A, LOOP5 CLR ASJMP LOOP2 LOOP4：MOV A, C JNZ A, LOOP5 INC R6 CLR P3.7 SJMP LOOP5LOOP5：POP PSWPOP ACCSETB EX1RET14.3 中斷子程序設計 INT1外中斷子程序的流程如圖4-3： 保護現場取脈沖時間間隔根據時間計算出每分鐘的脈搏次數十六進制轉十進制保存結果恢復現場返回圖4-3 外中斷子程序流程圖主要代碼如下： START : PUSH ACC ;保護現場 PUSH PSW CLR E

30、X1 MOV TMOD,#90H ;T1工作于工作模式1，GATE置位 MOV TL0, #00H MOV TH0,#00H ;送定時初值 WAIT1: JB P3.3 WAIT1 ;等待由高變低 SETB TR0 ;啟動定時 WAIT2: JB P3.3 WAIT2 ;等待由高變低 CLR TR0 ;停止計數 MOV R6, TL0 MOV R7, TH0 CLR C MOV A, R6 SUBB A,#0BBH ;計算時間差 MOV 31H,A ;存儲結果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A MOV R0, TL0 MOV R1, TH0 CLR A MOV

31、 R2,A ;清零 MOV R3, A MOV R4, A MOV R5, #16LOOP: CLR C MOV A, R0 RLC A ;從待轉換數的高端移出一位到CY MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A MOV A,R4 ;送到BCD的低端 ADDC A,R4 ;帶進位加，自身相加，等于左移一位 DA A ;十進制調制，變為BCD碼 MOV R4，A MOV A, R3 ADDC A, R3 DA A MOV R3，A MOV A, R2 ADDC A, R2 MOV A, R2 DJNZ R5，LOOP ;共轉換十六位數 MOV A, R4 MOV B

32、, #16 DIV AB MOV R1，A MOV R0, B MOV A, R2 MOV R4，A MOV A, R3 MOV B, #16 DIV AB MOV R3，A MOV R2，B SETB EX1 POP ACC POP PSW4.4 顯示子程序設計 顯示子程序流程圖，如圖4-4所示：取結果顯示脈搏次數延時次數80?次數120?顯示“very good!”顯示“a litter bad!”延時返回圖4-4 顯示子程序流程圖主要代碼如下： MOV P1，31H LCALL DISUP ACALL DELAY ;延時0.2s DELAY: CLR RS1 SETB RS0 MOV R

33、5，#20 ;0.2S D1： MOV R6，#20 ;10ms D2: MOV R7，#248 ;0.5ms DJNZ R7，$ DJNZ R6，D2 DJNZ R5，D1 RET5 軟件調試5.1 調試軟件的介紹此設計使用的仿真軟件是Proteus。Proteus軟件是一款很實用方便的仿真軟件，是英國Labcenter electronics公司發行的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA軟件的仿真功能，還具有仿真單片機和外圍電路的功能6。它是世界上著名的EDA工具6。它集原理圖布圖、代碼調試、單片機與外圍電路的協同仿真、一鍵切換到PCB設計等功能于一體6。是目前世界上唯一一款將電路仿真軟件

34、、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型6。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器6。在軟件調試仿真的過程中，可以感受到子程序模塊化設計的好處，程序模塊化設計后，很容易找到錯誤所在，方便修改。5.2 調試結果根據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軟件上進行仿真，用軟件連接好硬件原理圖（如圖5-1），運行測試是否實現所需求的指標。圖5-1 硬件原理圖在調試的過程可以通