多重傳感器的駕駛員疲勞監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)摘要：近些年，交通安全一步步成為大眾在意的重點問題。在特別情況下，駕駛員因疲勞或因為身體不適引起的交通事故頻繁發(fā)生，嚴重威脅了駕駛員和乘客的生命安全，同時給道路交通管理帶來巨大壓力。針對當前監(jiān)測手段不豐富、響應(yīng)緩慢、缺乏多曾測生理參數(shù)的現(xiàn)狀，本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于STM32單片機的多傳感器駕駛員疲勞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，將主控模塊、心率和血氧監(jiān)測模塊等模塊和發(fā)動機啟動仿真模塊有機集成，系統(tǒng)可實現(xiàn)對駕駛過程中駕駛員的心率血氧數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和異常預(yù)警，有效降低疲勞駕駛、酒駕等風險事故的發(fā)生率，提高道路交通安全水平。系統(tǒng)中采用了AltiumDesign軟件進行了硬件電路原理圖的設(shè)計，使用Keil軟件進行了驅(qū)動代碼的設(shè)計。最終實現(xiàn)了對駕駛員心率血氧、是否酒駕的檢測，實現(xiàn)自動控制發(fā)動機的制動和是否符合啟動狀態(tài)。關(guān)鍵詞：疲勞監(jiān)測；預(yù)警系統(tǒng)：STM32單片機；

Developmentofmulti-sensordriverfatiguemonitoringandearlywarningsystemAbstract：Inrecentyears,trafficsafetyhasbecomeamajorconcernforthepublic.Insomecases,driverfatigueorpoorphysicalconditionhasledtomanytrafficaccidents.Theseaccidentsthreatenthelivesofdriversandpassengersandalsobringhugepressuretoroadtrafficmanagement.Thecurrentmonitoringmethodshavelimitations,areslowtorespond,andlackthemeasurementofmultiplephysiologicalparameters.ThispaperdesignsadriverfatiguemonitoringsystemthatusesSTM32microcontrollersandmultiplesensorsforearlywarning.Thesystemadoptsamodulardesign,integratingthemaincontrolmodule,heartrateandbloodoxygenmodule,andenginestartsimulationmoduleintooneunit.Thesystemcanmonitorthedriver'sheartrateandbloodoxygeninrealtimeduringdrivingandissueanalarmwhenabnormalitiesoccur.Thishelpsreducetherisksoffatiguedrivinganddrunkdriving,andimproveroadtrafficsafety.ThesystemusesAltiumDesignforhardwareschematicdesignandKeilsoftwaretodevelopdriverprogramcode.Ultimately,thesystemcandetectheartrate,bloodoxygen,anddrunkdrivingstatus,automaticallycontrolenginebraking,andcheckstartconditions.KeyWords：Fatiguemonitoring;Earlywarningsystem；STM32MCU;

目錄TOC\o"1-3"\h\u227381前言 5217711.1研究背景及意義 563201.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6291251.2.1國外研究現(xiàn)狀 6214171.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 769182系統(tǒng)方案論證 883242.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案 8218182.2具體模塊設(shè)計 981193系統(tǒng)硬件設(shè)計 1076353.1系統(tǒng)整體電路圖 1011443.2單片機模塊設(shè)計 111443.2.1單片機模塊介紹 11172483.2.2單片機電路設(shè)計 12164073.3酒精傳感器設(shè)計 13315293.3.1酒精檢測傳感器介紹 13297603.3.2酒精檢測傳感器電路設(shè)計 1441683.4心率血氧傳感器設(shè)計 15214343.4.1心率血氧檢測傳感器介紹 15313503.4.2心率血氧檢測傳感器電路設(shè)計 17194533.5語音播報模塊電路 17315903.5.1語音播報模塊介紹 17249953.5.2語音播報模塊電路設(shè)計 19287243.6顯示模塊設(shè)計 20257513.6.1顯示模塊介紹 20151943.6.2顯示模塊電路設(shè)計 2178743.7按鍵模塊設(shè)計 24294753.7.1按鍵模塊介紹 2464313.7.2按鍵模塊電路設(shè)計 2584483.8繼電器模塊電路 26128843.8.1繼電器模塊介紹 26333.8.2繼電器模塊電路設(shè)計 27233723.9本章小結(jié) 28241334系統(tǒng)軟件設(shè)計 28126424.1系統(tǒng)主函數(shù)設(shè)計 2860464.2傳感器模塊設(shè)計 30110374.2.1酒精檢測傳感器 30120894.2.2心率血氧檢測傳感器 30295794.3語音播報模塊設(shè)計 31203044.4顯示模塊設(shè)計 32127364.5按鍵模塊設(shè)計 3465024.6繼電器模塊設(shè)計 3494764.7本章小結(jié) 35113045系統(tǒng)測試 369475.1軟件測試 36136655.2硬件測試 36148135.3本章小結(jié) 38226606.結(jié)論 39200096.1總結(jié) 39139826.2展望和未來優(yōu)化方向 409862參考文獻 412726致謝 4429615附錄 451前言1.1研究背景及意義近些年來，社會經(jīng)濟一直在發(fā)展，交通問題受到全世界所有人的密切關(guān)注，許多人感到疲勞駕駛對駕駛安全存在很大影響，特別是長時間持續(xù)駕駛時，容易引發(fā)駕駛員注意力分散，反應(yīng)遲鈍等現(xiàn)象，從而加大了交通事故發(fā)生的概率[1]，于是，針對駕駛員疲勞狀態(tài)展開監(jiān)測并發(fā)出警報的相關(guān)研究與開發(fā)工作便顯得尤為重要，伴隨科技不斷發(fā)展更新?lián)Q代，傳感器技術(shù)和智能化手段被采用之后，給疲勞駕駛檢測帶來新的方向與解決途徑[2]，特別是在如今汽車智能化，自動駕駛技術(shù)逐漸推廣開來這樣一種大背景之下，當融合各類傳感器的駕駛員疲勞監(jiān)測警報系統(tǒng)投入使用以后，就能隨時監(jiān)測駕駛者的身體狀況，而且依靠精準的警報設(shè)置有效阻止交通事故的產(chǎn)生[3]。此項更新技術(shù)得以執(zhí)行，其目的在于凸顯提升道路安全水平及其駕駛時的舒適度，這表明智能交通方面得到了重要發(fā)展，文章精心形成出一套融合型傳感器系統(tǒng)，想要依靠這個來明顯優(yōu)化駕駛員的安全等級，切實避免由于疲勞，酒后駕車之類的情況所引發(fā)的交通安全風險。圖1穿戴式心率血氧實物圖本文要研究一種新的技術(shù)——依靠多重傳感器的駕駛員疲勞監(jiān)測及警報系統(tǒng)，希望憑借此來極大地縮減交通事故發(fā)生的概率，進而改善整個道路交通的安全性狀況，這個系統(tǒng)整合了酒精檢測傳感器，心率和血氧水平監(jiān)測設(shè)備，語音交互單元，顯示界面以及控制按鍵等許多不同的功能板塊，目標在于做到對駕駛員健康指數(shù)和駕駛操作的即時觀察與評價，如果車載探測系統(tǒng)識別到駕駛員處于疲勞駕駛，酒后駕車或者身體不適等危險狀態(tài)之下，就會立即啟動各種形式的警告措施，其中覆蓋語音告知和警示信息顯示這樣的方法，盡力促使駕駛員能夠盡快知曉并實施相應(yīng)的調(diào)整動作，以保障行車安全。這個系統(tǒng)表現(xiàn)出很強的數(shù)據(jù)收集與處理能力，能夠應(yīng)對各類繁雜的駕駛情形，從而做到長時間連續(xù)即時觀察，這樣的特性令它成為不可或缺的技術(shù)手段，相關(guān)研究已被刊載于文獻[4]之中，伴隨現(xiàn)代交通安全技術(shù)持續(xù)更新發(fā)展，智能化進程逐步加快，本系統(tǒng)通過設(shè)計并實施開發(fā)之后，著眼于進一步挖掘其在未來智能交通經(jīng)營及自動駕駛方面應(yīng)用的巨大潛能，給這些領(lǐng)域帶來關(guān)鍵的技術(shù)支撐和解決辦法，進而大幅提升整個交通系統(tǒng)的效率和安全性能[5]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀GuirrouHamza等學(xué)者提出了一個創(chuàng)新的多模態(tài)疲勞駕駛檢測體系,該系統(tǒng)綜合運用內(nèi)置攝像頭、前置攝像頭以及車輛動態(tài)信息,并借助機器學(xué)習(xí)技術(shù)精確評估駕駛員的注意力水平,其工作原理與效果如圖所示。該系統(tǒng)憑借持續(xù)觀察并動態(tài)評價駕駛員情況的能力，切實優(yōu)化了道路安全水平，做到了針對各種駕駛行為給予及時解讀和警告提示，給交通安全守護體系帶來了革新性的應(yīng)對手段[6]，AshwiniAraballi與SangharshShinde提出了一種新的監(jiān)測辦法，重點在于利用外部形狀比例（EAR）和嘴巴張開比例（MOR）技術(shù)來達成對駕駛員疲勞狀態(tài)的即刻判斷，從而進一步鞏固道路安全并改善駕駛效能，這項技術(shù)把RaspberryPi模塊同Pi攝像頭結(jié)合在一起，目標就是有效地辨別駕駛員的眼部和口部特點，當察覺到任何表現(xiàn)駕駛員困倦的跡象時，馬上給出報警信號，如此便可有效地規(guī)避可能出現(xiàn)的交通意外事故[7]。SaleemAdilAli與其團隊就其他學(xué)者所開發(fā)的許多依賴生物電信號的疲勞檢測技術(shù)實施全面回顧分析，細致評判各類檢測策略存在的優(yōu)勢與不足，在此基礎(chǔ)上，他們創(chuàng)造性地提出一種結(jié)合眼部，口腔及頭部特征的綜合性疲勞觀測方案，試圖通過多維度生理指標的綜合考量達成更精準，有效的疲勞狀況識別，這項研究給疲勞駕駛情形中的生理信號監(jiān)測范圍形成穩(wěn)固的理論支撐并給予明晰的技術(shù)指引，既能提升人們對這個領(lǐng)域的認識深度，又能突出推動相關(guān)技術(shù)在實際應(yīng)用場景中有效地執(zhí)行和推廣[8]，LiYongkai及其團隊憑借深度學(xué)習(xí)框架更新性地規(guī)劃出一種高效的輕量級人臉疲勞監(jiān)測系統(tǒng)。他們采用可穿戴技術(shù)加上卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ConvolutionalNeuralNetwork，CNN）這種方式，試圖通過監(jiān)測司機眼部閉合次數(shù)來準確判斷司機是不是處于疲勞駕駛狀態(tài)，實驗得到的數(shù)據(jù)顯示，這個系統(tǒng)不僅能夠在各類行駛環(huán)境下正常運行，其準確性也遠高于預(yù)期，這樣一種把生物信號處理與深度學(xué)習(xí)方法融合起來的做法表現(xiàn)出一系列引人注目的優(yōu)勢，格外體現(xiàn)在二者一同對復(fù)雜環(huán)境中的決策產(chǎn)生作用的時候[9]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，針對疲勞駕駛監(jiān)測技術(shù)展開的研究及其應(yīng)用已有較為顯著的改善與發(fā)展趨向，伴隨智能交通系統(tǒng)以及自動駕駛技術(shù)持續(xù)推進并得以推廣開來，不少研究領(lǐng)域開始著眼于疲勞駕駛對交通安全所造成的潛在影響這一重要話題，具體情形可參照下面給出的圖表。陳怡帆及其團隊運用前沿的人工智能圖像處理技術(shù)，更新性地研發(fā)出一種結(jié)合了YOLOv3目標檢測框架和PERCLOS(PercentageofEyeOpened)算法的駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)憑借隨時剖析駕駛員面部表情，眼部動作等重要指標，并整合GPS定位技術(shù)[10]，達成了對駕駛員疲勞狀況的精準觀察和警報功能，這項研究既更新性地采用了先進技術(shù)來支撐疲勞駕駛檢測，又在推進智能交通技術(shù)全面發(fā)展上起到了重要作用，這一點被文獻[11]所提及，而對于軌道交通領(lǐng)域的探究，張先生已開始展開相關(guān)工作，并研發(fā)出專門面向全自動駕駛地鐵線路的疲勞監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)可對駕駛員的生理指標及行為特征實施即時觀察，精準地察覺到疲勞駕駛情形，其體系結(jié)構(gòu)具有科學(xué)性且合理性強，包含著經(jīng)過改良的監(jiān)測機制，有效地加強了軌道交通安全保障水準及其運作效率，達成了全方位又高效的改善效果[12]，來自西安思源學(xué)院的徐光光等人給出了新構(gòu)想，也就是使用面部多種特征的駕駛員疲勞監(jiān)測系統(tǒng)，期望通過多角度剖析來準確識別并考量駕駛者的疲憊狀況，利用全面考察駕駛員眼部動作，嘴巴神態(tài)以及頭部姿勢的綜合評判手段，這個系統(tǒng)可以精確判定個人是不是存在疲勞駕駛情況，依靠實證研究顯示，這種系統(tǒng)對于疲勞駕駛狀態(tài)的監(jiān)測準確性有著明顯上風，削減了因疲勞駕駛引發(fā)的交通事故風險[13]。胡家豪博士基于機器學(xué)習(xí)原理，精心研發(fā)出一套針對疲勞駕駛狀態(tài)展開實時監(jiān)測的全新系統(tǒng)，這個體系采用經(jīng)改良后的人臉識別技術(shù)，再加上臉部特點點剖析方式，意在精準測評駕駛員是否處于疲憊狀況，憑借改良后的YOLOv8模型及新穎的臉部特性抽取技巧，這套系統(tǒng)不但可做到高效率且精準的疲憊評價，而且添加了一套及時警報手段，保證在察覺到不正常情況后可以立刻做出反應(yīng)，實驗成果表明，該系統(tǒng)具備很突出的檢測精確度和辨別速率，特別適合長時間開車的情形[14]。陳星宇等人提出了一種多維疲勞監(jiān)測技術(shù)，這種辦法著重對眼部，嘴巴活動以及頭部姿勢這些方面開展綜合考察[15]，力求全方位，準確地估計人們的疲倦水平。依靠機器學(xué)習(xí)算法來細致剖析駕駛員的面部關(guān)鍵之處，從而達成及時察覺并精準判斷駕駛員疲勞狀況的目的，當識別出駕駛員開始顯露疲憊之態(tài)時，馬上啟動警報裝置，以保障行駛途中的安全，從相關(guān)實驗所得的數(shù)據(jù)來看，這個系統(tǒng)明顯改善了駕駛員的安全系數(shù)，削減了因疲勞駕車而引發(fā)的車禍發(fā)生概率，這一點已被充分證明[16]。

2系統(tǒng)方案論證2.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案在進行多重傳感器的駕駛員疲勞檢測與預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)的過程中，將整個系統(tǒng)劃分成若干個模塊來分別實現(xiàn)。系統(tǒng)包含的模塊主要有：主控模塊、酒精檢測模塊、心率血氧檢測模塊、語音播報模塊、顯示模塊、按鍵模塊和汽車發(fā)動模擬模塊。其中主控模塊作為整個系統(tǒng)的“大腦”，一旦確定則決定了整個系統(tǒng)的性能和擴展上限?？紤]到設(shè)計中對于傳感器使用較多，因此需要處理的數(shù)據(jù)量較大，并且對系統(tǒng)的運行效率要求較高，因此，選擇了STM32單片機作為主控進行了設(shè)計。作為駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)，對于酒精濃度的檢測也是非常重要的，可以判斷駕駛員是否為酒駕。系統(tǒng)通過MQ3酒精檢測傳感器來實現(xiàn)對是否酒駕的檢測。系統(tǒng)中同樣通過心率血氧檢測模塊來實時對駕駛員的心率和血氧參數(shù)進行檢測，當檢測到心率或血氧濃度過低時，會通過語音播報提醒駕駛員及時就醫(yī)[17]。系統(tǒng)針對心率血樣檢測模塊采用了MAX30102心率血氧檢測模塊來實現(xiàn)。對于語音播報主要是用來提醒駕駛員，系統(tǒng)采用了WT588D語音播報模塊來設(shè)計實現(xiàn)。顯示模塊用來顯示當前心率、血氧、酒精濃度、發(fā)動機是否點火、駕駛時間等參數(shù)信息。由于涉及到較多內(nèi)容的顯示，系統(tǒng)使用OLED顯示屏進行設(shè)計。按鍵模塊在設(shè)計中的作用是可以進行酒精上限、心率和血氧上下限的設(shè)置，并且可以通過按鍵模擬啟動和關(guān)閉發(fā)動機。汽車發(fā)動模塊在設(shè)計中使用繼電器來實現(xiàn)模擬是否啟動或關(guān)閉。綜上所述，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。該章節(jié)屬于由單片機控制的列車追蹤模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，包含單片機模塊，軌道電路設(shè)計，無線通信模塊設(shè)計，其它輔助模塊設(shè)計等部分。單片機模塊設(shè)計：選用51單片機，闡述其特性及接口劃分狀況，此款單片機負責接收來自軌道電路的信息并與無線通信模塊實施數(shù)據(jù)交換。軌道電路設(shè)計：直流軌道電路在列車檢測中的應(yīng)用及原理優(yōu)劣分析無線通信模塊設(shè)計：選定HC-05藍牙無線通訊模塊，并對其特性與長處加以闡述，該模塊主要承擔起單片機與列車間無線數(shù)據(jù)傳遞的任務(wù)。其他輔助模塊設(shè)計：包含車載設(shè)備電路設(shè)計，數(shù)碼管模塊設(shè)計以及區(qū)段信號機模塊設(shè)計，數(shù)碼管模塊能夠顯示列車所在的區(qū)段信息，區(qū)段信號機模塊承擔著對紅燈和綠燈的管控任務(wù)，以此來體現(xiàn)列車的行駛情況。2.2具體模塊設(shè)計本方案中需要實現(xiàn)兩個重要方案，首先先尋找影響安全駕駛的因素。并探索傳感器進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，如酒精度數(shù)過高，精神疲憊時都可能會帶來駕駛的危險。于是打算通過STM32單片機作為主要輸出模塊。通過酒精度數(shù)傳感器監(jiān)測，駕駛員駕駛前是否符合規(guī)范要求進行開車，最終選擇MQ3酒精檢測傳感器，可以較為準確的測算酒精度數(shù)。再通過測量駕駛員的血氧心率來判斷是否疲勞駕駛，若數(shù)據(jù)過低，則需要報警提醒，選擇MAX30102心率血氧傳感器。同理在有了數(shù)據(jù)的支持下，需要進一步給司機更直觀的輔助，那么語音的直接提示以及顯示屏的間接顯示就非常重要。語音模塊需要實現(xiàn)當酒精度數(shù)和血氧心率等數(shù)據(jù)達到一定的閾值時，對駕駛員提出警告和禁止繼續(xù)開車，需要休息等信息，時刻提醒駕駛員，選擇WT588D語音播報傳感器。語音播報實現(xiàn)在一定界限時的準確提醒，但一般駕駛員會想知道大概多久需要進行休息，如大貨車司機需要合理選擇休息區(qū)，而順風車司機大概率會選擇離家近或者更好接單的地方進行休息。我選擇OLED液晶顯示屏，顯示清晰不傷眼睛。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)整體電路圖將上述各個模塊的電路圖進行匯總，得到的系統(tǒng)整體電路圖如圖3.8所示。圖3.8系統(tǒng)整體電路圖

3.2單片機模塊設(shè)計3.2.1單片機模塊介紹方案一：STM32F103C8T6，一款由STMicroelectronics開發(fā)并基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，因其出色的性能而被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，特別適合于需求較高計算能力的應(yīng)用場景。此微控制器具備卓越性能，其最高主頻可達到72MHz，配備64KB的閃存以及20KB的靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM），完全勝任對中等至高性能嵌入式應(yīng)用的復(fù)雜需求。該系統(tǒng)內(nèi)嵌有豐富多樣的外部設(shè)備接口，涵蓋如通用同步異步收發(fā)器(USART)、串行PeripheralInterface(SPI)以及Inter-IntegratedCircuit(I2C)等多種通信機制，旨在高效支持多樣化的外部設(shè)備集成，從而實現(xiàn)對多個傳感器數(shù)據(jù)的高效采集與精細處理任務(wù)。STM32F103C8T6微控制器憑借其出色的低功耗特性，特別適合于那些要求長時間穩(wěn)定運行且對能效有嚴格需求的復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用。通過優(yōu)化中斷響應(yīng)機制并實現(xiàn)精確的時間管理，系統(tǒng)顯著提高了響應(yīng)速度與穩(wěn)定性，這一改進尤其體現(xiàn)在整體性能的增強上([18])。圖2.2STM32F103C8T6實物圖方案二：AT89S52屬于Atmel公司所推出來的一種依靠51核心的8位單片機，該單片機全面應(yīng)用于低成本，低能耗的植入式體系當中，它的主要頻率達到了24MHz，內(nèi)部存有8KB的閃存以及256B的RAM，適宜執(zhí)行簡易的控制任務(wù)，AT89S52有著多種各類的外設(shè)接口，平行I/O端口，串行端口，計時器等等，可以憑借這些接口便捷地銜接各類外接設(shè)備和傳感器，縱使AT89S52的處理能力比不上STM32F103C8T6強勁，不過它的低能耗特征讓它在低成本項目里占據(jù)了一席之地，特別合適那些用不上繁雜數(shù)據(jù)處理的場合[19]，而且，AT89S52較為簡單又很穩(wěn)定，所以一直被廣泛性采納，可以符合一般交通流量控制方面的需求。圖2.3AT89S52實物圖表2.1主控芯片性能對比表型號STM32F103C8T6AT89S52處理器核心ARMCortex-M3,72MHz51內(nèi)核，24MHz內(nèi)存64KB閃存，20KBSRAM8KB閃存，256BRAM外設(shè)接口USART,SPI,I2C,CAN等并行I/O口，串口，定時器處理能力高速處理，適合復(fù)雜任務(wù)適合基礎(chǔ)控制，處理能力較低系統(tǒng)穩(wěn)定性較高的穩(wěn)定性與快速響應(yīng)能力穩(wěn)定性好，適合簡單應(yīng)用作為多傳感器駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)，使用到的外設(shè)和傳感器較多，因此，對于主控芯片的性能和接口數(shù)量具有一定的要求，通過對上述兩款芯片的參數(shù)分析，最終選擇STM32單片機進行設(shè)計。3.2.2單片機電路設(shè)計單片機最小系統(tǒng)是單片機控制系統(tǒng)能夠運行的基礎(chǔ)保障，單片機最小系統(tǒng)包含了晶振電路、復(fù)位電路、下載電路、BOOT電路等。所實現(xiàn)的功能分別是為系統(tǒng)運行提供時鐘基準、實現(xiàn)硬件復(fù)位、實現(xiàn)軟件下載、實現(xiàn)BOOT選擇。本系統(tǒng)設(shè)計出的硬件電路原理圖如圖3.1所示。圖3.1單片機最小系統(tǒng)電路圖由圖3.1可以看出，對于單片機最小系統(tǒng)來說，包含了描述的部分，其中晶振模塊采用8MHz晶振通過兩個20pF的電容和地并聯(lián)，復(fù)位模塊通過按鍵連接電阻和電容，讓系統(tǒng)可以實現(xiàn)硬件復(fù)位。單片機接口連接分配如所示接口連接PA0SDAPA1SCLPB0P03PB1ADC1PB12按鍵1PB13按鍵2PB14按鍵3PB15按鍵4PB6SCL2PB7SDA2PB8JDQ 3.3酒精傳感器設(shè)計3.3.1酒精檢測傳感器介紹在多重傳感器的駕駛員疲勞監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中酒精傳感器在設(shè)計中的作用是實現(xiàn)對駕駛員是否酒駕的檢測[20]，因此，酒精檢測模塊在設(shè)計中的重要性不言而喻。方案一：MQ3屬于一種被廣泛性采納的酒精傳感器，這種傳感器把半導(dǎo)體材料當作敏感部件來用，它工作的時候，借助酒精氣體分子同傳感器表面產(chǎn)生反應(yīng)，造成傳感器電阻出現(xiàn)改變，進而輸出對應(yīng)的電信號。MQ3酒精傳感器有著比較高的靈敏程度，可以察覺到濃度處于10ppm到1000ppm之間的酒精氣體，所以很適宜用來檢測空氣中含有的低濃度酒精成分，在車載酒精檢測以及酒精警報裝置當中，它能夠精確地感受到酒精氣體的變動情況，并及時作出回應(yīng)，這個傳感器的工作電壓是5V，這會給整個系統(tǒng)帶來穩(wěn)定的工作效能，使其可以在各類環(huán)境之下持續(xù)不斷地運行很長時間，MQ3的響應(yīng)歷時很短，可以立即察覺到酒精氣體，而且它的耗電量較少，適宜于長時間運作。圖2.4MQ3酒精檢測傳感器實物圖方案二：MEMSGM

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302B酒精檢測傳感器依靠微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，同MQ3之類的傳統(tǒng)酒精傳感器比起來，它有著更高的精度和穩(wěn)定性，這個傳感器憑借微型加熱器和金屬氧化物半導(dǎo)體去檢測空氣中的酒精含量，可以給出迅速而精準的數(shù)值，MEMSGM

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302B傳感器能夠識別不同的酒精濃度，所以合適于各類應(yīng)用場景，包含工業(yè)和商業(yè)用途，它的一大優(yōu)勢就是響應(yīng)速度快而且測量精準，很適宜用在即時性較強的場合，再加上它的體積較為小巧，這對那些空間比較小的系統(tǒng)來說是個利好因素。圖2.5MEMSGM-302B酒精檢測傳感實物圖表2.2酒精檢測傳感器參數(shù)對比表型號MQ3MEMSGM-302B檢測范圍0.05mg/L到10mg/L0.1mg/L到5mg/L靈敏度對酒精氣體高度敏感精度更高，響應(yīng)更快響應(yīng)時間相對較慢響應(yīng)時間較快功耗低功耗功耗較高盡管MEMSGM-302B提供了更好的精度和更快的響應(yīng)時間，但MQ3傳感器更具成本效益，非常適合用于系統(tǒng)中的酒精檢測系統(tǒng)。MQ3足夠靈敏，可以檢測到所需范圍內(nèi)的酒精濃度，并為車輛中的實時監(jiān)測提供足夠的響應(yīng)時間。3.3.2酒精檢測傳感器電路設(shè)計作為疲勞駕駛檢測系統(tǒng)，對于駕駛員是否酒駕的檢測同樣非常重要。而針對于酒精濃度的檢測通過MQ3傳感器模塊來實現(xiàn)，在進行MQ3傳感器模塊的使用前，需要對模塊的引腳和功能進行了解，本文采用的酒精檢測傳感器的引腳分布及功能表如表3.1所示。表3.1MQ3模塊引腳說明表引腳名稱功能1GND模塊接地端口2DOUT數(shù)字數(shù)據(jù)輸出端口3AOUT模擬數(shù)據(jù)輸出端口4VCC邏輯高電平由表3.1可以看出，系統(tǒng)采用的MQ3傳感器模塊可以將引腳分為兩個部分：模塊供電部分和模塊數(shù)據(jù)部分，其中引腳1和引腳4為模塊的供電部分，分別接通地和電源。數(shù)據(jù)部分用來實現(xiàn)將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)向單片機輸入，引腳2為模塊的數(shù)字信號輸出端口，通過該端口可輸出數(shù)字信號供單片機直接使用，引腳3為模塊的模擬信號輸出端口，通過該端口可輸出模擬信號提供給單片機使用。因此，本文針對MQ3模塊的硬件電路原理圖如圖3.2所示。圖3.2乙醇檢測模塊電路圖由圖3.2可以看出，在本文設(shè)計中，該模塊使用了模擬輸出端口與單片機的PA1接口相連，通過閱讀STM32單片機的引腳功能可以看出，STM32的PA1口為單片機的A/D端口，從而實現(xiàn)將傳感器檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號才可以被單片機進行處理。酒精傳感器模塊與單片機接口如REF_Ref196911358\h表2所示：單片機接口酒精傳感器模塊接口PB1ADC1VCCVCCGRANDGRAND3.4心率血氧傳感器設(shè)計3.4.1心率血氧檢測傳感器介紹在這個項目里，心率和血氧屬于血流動力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)，可以有效地體現(xiàn)人體的健康狀況，所以要采用高精度，低能耗的心率血氧傳感器實施即時檢測，以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定又可靠[21]。方案一：MAX30102心率血氧傳感器屬于一種光學(xué)傳感器，被全面應(yīng)用到可穿戴健康設(shè)備以及醫(yī)療監(jiān)測體系當中，利用光電容積脈搏波描記法來實施血氧飽和度和心率的測量工作，這個傳感器整合了紅外和綠光LED，還設(shè)置了高靈敏光電二極管，可以憑借對皮下血液流動所引發(fā)的光學(xué)反射變動加以檢測從而算出心率和血氧指標數(shù)值。此款芯片自身具備低能耗特點，適宜執(zhí)行長時間監(jiān)測任務(wù)，而且內(nèi)部設(shè)有溫度傳感器，能針對測量過程實施補償修正操作以優(yōu)化數(shù)據(jù)精準度，它的I2C通訊接口方便同單片機或者物聯(lián)網(wǎng)裝置相融合，所以成了智能手環(huán)，遠距離醫(yī)療儀器以及健康監(jiān)測體系里比較理想的部件之一，這款傳感器有著不錯的抵抗環(huán)境光線干擾的本領(lǐng)，可以在各種不同的光照情形之下維持住較為穩(wěn)定的測量準確程度，進而適合用在大量不同的場合里面。圖2.6MAX30102心率血氧傳感器實物圖方案二：MKB0805心率血氧傳感器屬于小型化，高精度的雙波長光學(xué)檢測傳感器，專為可穿戴醫(yī)療設(shè)備及健康監(jiān)測系統(tǒng)而設(shè)，該傳感器以紅光和紅外光作為光源，通過檢測不一樣波長光線在血液里的吸收差別來算出血氧飽和度，再加上脈搏波分析就可以量出心率。MKB0805最突出的地方在于它的耗電量很低，可以長時間持續(xù)監(jiān)測，這一點在依靠電池供電的可穿戴設(shè)備上特別占優(yōu)，它的濾波算法經(jīng)過改良，所以在運動或者復(fù)雜環(huán)境下也能維持比較穩(wěn)定的測量數(shù)值，而且抗干擾能力有所加強，外界光線造成的干擾會更小一些，MKB0805配備了I2C和SPI兩個通訊接口，給予了更為多種的資料傳送途徑，方便融入各種物聯(lián)網(wǎng)健康監(jiān)測體系當中。圖2.7MKB0805心率血氧傳感器實物圖表2.3心率血氧傳感器參數(shù)對比表型號MAX30102MKB0805測量原理光電容積脈搏波描記法雙波長光學(xué)檢測光源紅外光和綠光LED紅光和紅外光通信接口I2CI2C/SPI功耗低功耗超低功耗體積小型封裝超小型封裝測量精度高精度高精度，優(yōu)化濾波算法通過上述兩款心率血氧傳感器的參數(shù)對比MKB0805雖然具有更高的性能和更小的體積，但是在設(shè)計成本上占比較多，且兩款傳感器均采用I2C接口，所以作為功能驗證，采用MAX30102傳感器進行驗證即可，可以有效降低硬件成本。3.4.2心率血氧檢測傳感器電路設(shè)計心率血氧傳感器在設(shè)計中的作用是用來實現(xiàn)對人的心率和血氧濃度進行檢測。系統(tǒng)中使用的MAX30102在使用前仍需要對用戶手冊進行查閱，根據(jù)用戶手冊可以得出，MAX30102心率血氧傳感器模塊的引腳功能如表3.2所示。表3.2MAX30102模塊引腳說明表引腳名稱功能1VCC邏輯高電平2SDA數(shù)據(jù)端口3SCL時鐘端口4GND模塊接地端口5INT中斷由表3.2可以看出，對于心率血氧傳感器，該傳感器是通過IIC協(xié)議來實現(xiàn)通信的。因此，對于硬件電路來說，只需要將通信模塊的引腳與單片機的引腳相連即可，同時需要將模塊接通電源。根據(jù)引腳功能表設(shè)計出的硬件電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3MAX30102心率血氧檢測模塊電路圖由圖3.3可以看出，對于心率血氧檢測模塊來說，想要將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機只需要將IIC通信協(xié)議的兩根引腳與單片機相連即可。設(shè)計中將心率血氧檢測模塊的兩根引腳分別與單片機的PA0和PA1引腳相連。3.5語音播報模塊電路3.5.1語音播報模塊介紹語音模塊在設(shè)計中的作用主要是當檢測到疲勞駕駛時，進行語音提醒，能夠有效的對司機起到提醒的作用[22]。方案一：WT588D語音模塊屬于功能很強的語音合成模塊，被全面用在各種智能設(shè)備當中，這個模塊有單獨的解碼器，可以直接播放在內(nèi)存里保存的音頻文件，不需要外接解碼芯片，整合度比較高。WT588D支持像WAV，AD4之類的許多種音頻格式，可以播放不一樣格式的語音文件，適宜不同需求的應(yīng)用場合，此模塊支持串口通訊形式，能同主控芯片實施通訊，并對音頻播放加以控制，WT588D語音模塊最為突出之處在于其自身帶有語音存儲空間，而且支持通過SPI接口銜接外置存儲設(shè)備，從而擴充了音頻存儲量。它耗電量小且體積較小，可以很好地融入各類便攜設(shè)備當中，WT588D被全面用在語音提示，語音反饋，語音警報之類的場合，給用戶帶來優(yōu)質(zhì)的語音播放感受，同其他類似產(chǎn)品比起來，WT588D在音質(zhì)，穩(wěn)定性以及低能耗上的表現(xiàn)較為突出，成了很多智能產(chǎn)品里的關(guān)鍵形成單元。圖2.8WT588D實物圖方案二：DYSV-17F語音模塊屬于一種被全面應(yīng)用到智能硬件以及語音識別系統(tǒng)當中的音頻播放模塊，這個模塊內(nèi)部設(shè)置了高質(zhì)量的語音合成芯片，可以保存并播放各類語音數(shù)據(jù)格式，DYSV-17F具備很強的語音識別能力，發(fā)音也很清晰，適宜用在語音提醒，警報系統(tǒng)這些方面，它的操作較為簡單，通過串口接口就能同主控芯片實施通信，從而控制要播放的語音內(nèi)容，此模塊還支持采用外置存儲設(shè)備（像SD卡之類的）來存放諸多語音文件，而且耗電量低，很合適那些需要長時間運行的設(shè)備。DYSV-17F語音模塊具備語音播放，語音識別以及語音提示等諸多功能，可以給系統(tǒng)帶來準確的語音回饋，這個模塊被普遍用在工業(yè)自動化，智能家居，電子產(chǎn)品等各個領(lǐng)域，總的來說，DYSV-17F語音模塊憑借自身穩(wěn)固的表現(xiàn)和較高的性價比，成了很多語音控制及警報系統(tǒng)的合適之選。圖2.9DYSV-17F實物圖表2.4語音模塊參數(shù)對比表型號WT588DDYSV-17F語音質(zhì)量高質(zhì)量音頻播放，支持多種格式清晰、可調(diào)節(jié)語速和語調(diào)功能播放WAV/AD4格式音頻，語音提示語音播放、語音識別、語音提示存儲方式內(nèi)置存儲，支持SPI外部存儲支持外部存儲設(shè)備如SD卡存儲語音文件接口類型串口接口，支持SPI接口串口接口操作簡便性操作簡便，支持多種控制模式簡單易用，集成度高通過對上述兩款語音播報模塊的分析，最終選擇了WT588D語音模塊，該模塊具有更高品質(zhì)的音頻輸出，同時支持的接口類型更為豐富。3.5.2語音播報模塊電路設(shè)計語音播報模塊在設(shè)計中的作用是用來在檢測到疲勞駕駛時通過語音來提醒駕駛員注意計時休息，系統(tǒng)中采用WT588D語音模塊來實現(xiàn)設(shè)計，在進行設(shè)計前，需要先對語音模塊的引腳功能進行了解，針對系統(tǒng)所采用的語音模塊的語音功能模塊的引腳功能表如表3.3所示。表3.3WT588D模塊引腳說明表引腳名稱功能1GND模塊接地端口2R-串口接收端口3T-串口發(fā)送端口4VCC邏輯高電平由表3.3可以看出，WT588D語音模塊是通過串口來實現(xiàn)和單片機之間的通信，當系統(tǒng)檢測到需要語音播報的內(nèi)容時，可以通過串口發(fā)送相應(yīng)控制信號給語音模塊，因此，在連接時需要注意TX和RX的連接方向，設(shè)計出的硬件店里原理圖如圖3.4所示。圖3.4WT588D語音檢測模塊電路圖由圖3.4可以看出，模塊雖然具有多個引腳，但實際上語音模塊只需要通過通過RX引腳接收單片機傳輸過來的數(shù)據(jù)即可，同時還需要給模塊外接揚聲器。本系統(tǒng)將語音模塊的RX與單片機的PB0引腳相連。語音傳感器模塊與單片機接口如所示：單片機接口語音傳感器模塊接口PB0P03VCCVCCGRANDGRAND3.6顯示模塊設(shè)計3.6.1顯示模塊介紹顯示模塊在設(shè)計中用于提供人機交互界面，使用戶能更直觀地查看數(shù)據(jù)信息[23]方案一：OLED顯示模塊屬于一種通用性較強的顯示模塊，被全面應(yīng)用于各類智能硬件當中，它憑借著OLED（有機發(fā)光二極管）技術(shù)，可以做到在較低能耗的情形下給予高對比、高清晰的圖片顯現(xiàn)效果，此模塊的分辨率一般為128×64像素，適宜用來表現(xiàn)文字，圖形以及簡單動畫之類的內(nèi)容，其接口形式包含I2C和SPI這兩種，可以很便捷地同各種類型的主控單片機實施銜接，非常合適用在植入式開發(fā)方面，鑒于它具備低能耗的特點，所以在依靠電池來供應(yīng)電力的場合顯得格外實用。OLED屏幕沒有背光源，需依靠發(fā)光二極管自身來供應(yīng)亮度，所以它有著不錯的表現(xiàn)效果，而且可視角度比較大，這個模塊的反應(yīng)速度很快，可以動態(tài)地展示信息，其顯示較為清楚，不易被周圍光線干擾，此款OLED模塊具備高對比，廣視角的特性，顯示效果很細致，適合用在各種產(chǎn)品的用戶界面顯示當中，常見于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，智能家居，智能交通等諸多領(lǐng)域。圖2.10OLED實物圖方案二：LCD1602顯示模塊屬于常見的字符型液晶顯示模塊，有著寬泛的應(yīng)用范圍，它一般具備16行2列的顯示能力，可以很好地用來顯示簡單的字符或者數(shù)字信息。LCD1602模塊利用的是液晶顯示技術(shù)，這種技術(shù)能夠顯現(xiàn)明晰的文本內(nèi)容，而且功耗比較低，很適宜用在那些須要長時間運行的植入式系統(tǒng)當中，LCD1602的控制形式大多為并行接口或者I2C接口，使用者可依照具體情況來挑選恰當?shù)慕涌陬愋停@個模塊的長處就在于價格便宜，性能穩(wěn)定，所以被全面應(yīng)用到很多電子項目里。同OLED顯示模塊比起來，LCD1602的亮度往往偏低，其顯示的對比度在強光之下也許會受影響，不過在昏暗環(huán)境下仍然較為穩(wěn)定。圖2.11LCD1602實物圖表2.5顯示模塊參數(shù)對比表型號OLEDLCD1602顯示類型OLEDLCD分辨率128x64像素16×2字符顯示內(nèi)容文字、圖形、簡單動畫文字、數(shù)字顯示效果高對比度、高清晰度中等對比度、較低清晰度接口類型I2C、SPI并行、I2C可視角度廣視角較窄視角通過對上述兩款顯示模塊的分析結(jié)合實際的使用情況，最終選擇了OLED顯示模塊，該顯示模塊具有更小的體積和更豐富的內(nèi)容顯示。3.6.2顯示模塊電路設(shè)計設(shè)計中，系統(tǒng)想要更直觀的對系統(tǒng)狀態(tài)進行展示，顯示模塊是最直接的方式。作為一款疲勞駕駛檢測系統(tǒng)，需要監(jiān)測的要素較多，因此選擇了OLED液晶顯示屏，在進行電路設(shè)計前，同樣需要進行模塊功能引腳的掌握，OLED液晶演示模塊的引腳及功能描述如表3.4所示。表3.4OLED引腳說明表引腳名稱功能1GND邏輯接地2VDD邏輯電源3SCK時鐘端口4SDA數(shù)據(jù)端口根據(jù)表3.4可以看出，模塊化的設(shè)計讓系統(tǒng)更加節(jié)省IO端口，其中模塊的引腳1和引腳2作為模塊的供電端口，分別和地與電源相連。引腳3和引腳4為模塊的數(shù)據(jù)和時鐘端口，模塊通過這兩個端口實現(xiàn)和單片機之間的相互通信。在熟悉模塊的引腳及功能后進行硬件電路原理圖的設(shè)計，設(shè)計出的顯示模塊的硬件電路原理圖如圖3.5所示。圖3.5顯示模塊硬件電路圖由圖3.5可以看出，模塊具有4個引腳，模塊的1和2引腳分別與系統(tǒng)的地和電源引腳相連，模塊的引腳3和引腳4分別與單片機的PB6和PB7引腳相連，STM32單片機的PB6和PB7引腳分別為單片機的IIC通信的引腳，因此可通過IIC來實現(xiàn)對顯示模塊的控制。顯示傳感器模塊與單片機接口如所示：單片機接口顯示傳感器模塊接口PB6SCL2PB7SDA2VCCVCCGRANDGRAND3.7按鍵模塊設(shè)計3.7.1按鍵模塊介紹方案一：機械按鍵模塊屬于電子設(shè)備里較為常見的輸入模塊，被全面用在各種控制系統(tǒng)當中，家電產(chǎn)品，工業(yè)設(shè)備，鍵盤以及植入式控制系統(tǒng)等等，機械按鍵依靠物理接觸點來工作，當用戶按下按鍵的時候，其內(nèi)部的金屬接觸點就會合攏，進而傳達電信號，這種類型的按鍵主要優(yōu)勢在于構(gòu)造簡易，價格便宜而且壽命比較長，機械按鍵模塊憑借一連串的接觸點達成電路閉合，一旦按鍵被按下，電流便會流過電路，引發(fā)對應(yīng)的控制信號。因為按鍵的觸點直接接觸，所以機械按鍵能給予穩(wěn)定的回饋，保證操作準確無誤，機械按鍵的長處在于結(jié)構(gòu)牢靠，可以應(yīng)對各類惡劣環(huán)境，而且十分耐用，常見的機械按鍵包含開關(guān)按鍵，旋鈕式按鍵以及瞬時按鍵等等，還可依照要求供應(yīng)不一樣的功能，憑借簡易的設(shè)計和較低的成本，它成了許多植入式系統(tǒng)，電子設(shè)備以及消費類電子產(chǎn)品中優(yōu)先選用的輸入手段。圖2.12機械按鍵模塊實物圖方案二：電容觸摸按鍵模塊屬于高科技輸入模塊，它憑借電容變化原理來實施觸摸感應(yīng)，當手指靠近模塊電極的時候，電容就會產(chǎn)生改變，模塊可以察覺到這種改變，并引發(fā)對應(yīng)的操作，不同于傳統(tǒng)機械按鍵，電容觸摸按鍵模塊無需物理接觸，其使用起來更為靈敏，也更持久，電容觸摸按鍵常常出現(xiàn)在智能手機，平板電腦，智能家電以及各類便攜設(shè)備上，此模塊一般包含電極板，信號檢測電路和微控制器這些部分，通過觸摸來激發(fā)指定功能。因為具有較高的靈敏度，電容觸摸按鍵無需施加很大壓力就能正常工作，從而帶給使用者更舒服的感受，國內(nèi)的電容觸摸模塊被全面應(yīng)用到智能產(chǎn)品當中，特別在高端智能家居控制面板以及穿戴設(shè)備上十分常見，這種沒有機械損耗的特點讓它即便處于經(jīng)常操作的環(huán)境之下，依舊可以維持很高的可靠度與較長的使用壽命，電容觸摸按鍵的設(shè)計還準許更為精致小巧的外觀樣式，可以符合現(xiàn)代消費電子產(chǎn)品對于產(chǎn)品外形所提出的嚴格需求。圖2.13電容觸摸按鍵模塊實物圖表2.6按鍵模塊參數(shù)對比表型號機械按鍵模塊電容觸摸按鍵模塊工作原理物理接觸，觸點閉合傳輸信號電容變化原理，觸摸感應(yīng)輸入方式物理按鍵觸摸輸入按鍵數(shù)量一般為單獨按鍵自定義按鍵數(shù)量靈敏度較低，需要按下才能觸發(fā)高靈敏度，無需按壓即可觸發(fā)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依賴電容傳感技術(shù)成本低成本較高安全性易受磨損影響不易磨損，觸摸操作防水防塵能力較差較好按鍵模塊在設(shè)計中的作用是用來實現(xiàn)本地的閾值設(shè)置，由于系統(tǒng)使用按鍵較少，考慮到穩(wěn)定性和成本，最終選擇機械按鍵進行設(shè)計。3.7.2按鍵模塊電路設(shè)計基于單片機的駕駛員疲勞監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中需要通過按鍵模塊來實現(xiàn)本地的閾值設(shè)置。針對按鍵模塊的電路如圖3.6所示。圖3.6矩陣按鍵模塊由圖3.6可以看出，系統(tǒng)中使用了4個按鍵，分別用來實現(xiàn)和PB12~PB15引腳相連。4個按鍵分別實現(xiàn)設(shè)置、加、減以及對車輛的啟動或熄火的設(shè)置。按鍵模塊與單片機接口如所示：單片機接口一氧化碳傳感器模塊接口PB12按鍵1PB13按鍵2PB14按鍵3PB15按鍵4VCCVCCGRANDGRAND3.8繼電器模塊電路3.8.1繼電器模塊介紹方案一：KY-019繼電器模塊屬于一種被全面用在低能耗控制系統(tǒng)里的繼電器模塊，它依靠電子控制原理，其中有一個小型繼電器部件，可以通過很小的電流來控制較大電流的電器設(shè)備，KY-019繼電器模塊需要用到5V直流電源，這個模塊有著很強的抗干擾能力，而且采取了光隔離措施，如此一來，控制端和負載端就達成了電氣隔離，防止高電壓大電流影響到控制電路，進而優(yōu)化了整個系統(tǒng)的安全系數(shù)和可靠程度，KY-019繼電器模塊最為突出的優(yōu)勢就是體積小而且便于使用，它的可靠性很高，穩(wěn)定性也好，可以符合大部分中小型應(yīng)用場景的需求，從操作角度來講，此模塊既可以執(zhí)行一般的電路開關(guān)操作，又能夠控制較高電流的負載，這就極大地加強了它在各類設(shè)備當中實施控制的能力。圖2.14KY-019繼電器模塊實物圖方案二：SRD-05VDC-SL-C繼電器模塊屬于另一類應(yīng)用較廣的繼電器模塊，它通常被用在低電壓電路當中去控制大電流設(shè)備，同KY-019一樣，SRD-05VDC-SL-C也是通過操縱5V的直流信號來轉(zhuǎn)換繼電器的開關(guān)狀況，以此達成對高電流設(shè)備的開關(guān)控制，此模塊內(nèi)部設(shè)有一個由5V電壓帶動的電磁繼電器，可以掌控最高達10A的電流，其具備簡便的控制接口，可以利用數(shù)字信號來觸發(fā)繼電器的開關(guān)運作。圖2.15SRD-05VDC-SL-C實物圖表2.7繼電器模塊參數(shù)對比表型號KY-019SRD-05VDC-SL-C電壓要求5VDC5VDC控制方式低電流控制高電流設(shè)備低電流控制高電流設(shè)備最大負載電流10A（AC）/10A（DC）10A（AC）/10A（DC）電磁兼容性光隔離設(shè)計無光隔離設(shè)計驅(qū)動電流較低較低繼電器在設(shè)計中的作用是模擬車輛啟動，對于上述兩款繼電器在參數(shù)上本質(zhì)一樣，因此可任意選擇一款即可，本設(shè)計選擇了KY-019繼電器，該繼電器相對于另一款多了光隔離設(shè)計。3.8.2繼電器模塊電路設(shè)計繼電器模塊在設(shè)計中的作用是用來模擬汽車的啟動與熄火，因此設(shè)計出的硬件電路原理圖如圖3.7所示。圖3.7繼電器控制模塊電路圖系統(tǒng)中將繼電器模塊與單片機的PB7引腳相連，并且通過S8050來提高單片機引腳的驅(qū)動能力。繼電器模塊與單片機接口如所示單片機接口一氧化碳傳感器模塊接口PB8JDQVCCVCCGRANDGRAND3.9本章小結(jié)這一章把模塊化設(shè)計當作重點，圍繞多傳感器融合的硬件架構(gòu)來寫，通過對主控模塊，檢測模塊，交互模塊執(zhí)行選型和電路設(shè)計，創(chuàng)建起駕駛員疲勞監(jiān)測警報系統(tǒng)的硬件根基[24]，主控芯片選的是STM32單片機，它有著很強的處理能力和很多種外圍設(shè)備接口，可以給多傳感器的數(shù)據(jù)即時收集和協(xié)同處理給予保證[25]，酒精檢測模塊和心率血氧檢測模塊分別用的是MQ3傳感器和MAX30102芯片，借助模擬信號收集和I2C通訊技術(shù)做到對生理參數(shù)的精確感知，這表現(xiàn)出硬件設(shè)計時對傳感器可靠性和合適性的考慮。顯示，語音，繼電器等模塊憑借標準化接口同主控系統(tǒng)相銜接，從而合成具備數(shù)據(jù)顯示，警報回應(yīng)以及設(shè)備控制功能的完備硬件體系，進而為后面的功能達成構(gòu)筑了物質(zhì)根基。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)主函數(shù)設(shè)計基于單片機的駕駛員疲勞監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動后，首先進入初始化狀態(tài)，初始化完成后，系統(tǒng)開始通過OLED顯示模塊實時進行參數(shù)的顯示，然后系統(tǒng)開始判斷是否按下設(shè)置按鍵，當按下設(shè)置按鍵后，此時系統(tǒng)進入設(shè)置模式，在設(shè)置模式下可以對系統(tǒng)中參數(shù)的閾值進行設(shè)置。然后系統(tǒng)開始對心率血氧檢測并判斷心率血氧是否正常，當發(fā)現(xiàn)異常時進行語音提醒，然后判斷是否酒精超標，當檢測到酒精超標時，提醒點火失敗并語音提醒，然后開始判斷是否疲勞駕駛，當檢測到疲勞駕駛時系統(tǒng)啟動語音提醒。系統(tǒng)的主函數(shù)流程圖如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)主函數(shù)流程圖主程序的程序部分設(shè)計如下，詳細請見附錄：voiddisplay_state(void){/*顯示狀態(tài)函數(shù)*/}voiddisplay_initial(void){/*顯示初始界面函數(shù)*/}voidDisplaySetValue(void){/*顯示設(shè)置值函數(shù)*/}voiddisplay_time(void){/*顯示運行時間函數(shù)*/}voidKeySettings(void){/*按鍵設(shè)置函數(shù)*/}voidGet_mq3_data(void){/*獲取酒精含量函數(shù)*/}intmain(void){delay_init();NVIC_Configuration();//...主程序初始化及主循環(huán)...}voidTIM2_IRQHandler(void){/*定時器2中斷處理函數(shù)*/}4.2傳感器模塊設(shè)計4.2.1酒精檢測傳感器系統(tǒng)中通過MQ3酒精檢測傳感器來實現(xiàn)對酒精濃度的檢測，該傳感器為半導(dǎo)體檢測傳感器，該傳感器是通過檢測到的酒精濃度的不同會引起內(nèi)部電導(dǎo)率的變化，從而讓模擬輸出引腳的電平發(fā)生變化，通過一定的比例從而轉(zhuǎn)換成酒精濃度。針對酒精檢測模塊的設(shè)計流程圖如圖4.2所示。圖4.2氣體檢測模塊設(shè)計流程圖酒精檢測傳感器的部分代碼如下所示：chardisplay[16];//顯示緩存區(qū)floatAlcohol=0.0;//酒精濃度boolTwinkleFlag=0;//閃爍標志boolstart_flag=0;//啟動標志boolshuaxin=0;//刷新數(shù)據(jù)標志boolalcohol_warn=0;//酒精超標標志隨后開始編寫具體的程序，詳細程序見附錄部分。4.2.2心率血氧檢測傳感器系統(tǒng)中通過心率血氧模塊實現(xiàn)對人體心率血氧的檢測，對于該傳感器來說，啟動后，首先進入初始化狀態(tài)，初始化完成后，傳感器通過檢測光信號來判斷血氧濃度，同時也能判斷出心率數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的工作原理繪制的軟件設(shè)計流程圖如圖4.3所示。圖4.3心率血氧濃度檢測模塊流程圖緊接著是對血氧心率的數(shù)值檢測，具體程序如下：#ifndefMAX30102_H_#defineMAX30102_H_#include"stm32f10x.h"voidmax30102_init_fifo(void);voidmax30102_read_data(void);#endif4.3語音播報模塊設(shè)計語音模塊在設(shè)計中的作用是用來發(fā)生異常時進行語音提醒，讓駕駛員可以實時了解自身情況以及是否疲勞駕駛。系統(tǒng)采用的語音模塊通過串口和單片機進行通信，當系統(tǒng)需要進行語音播報時，通過串口向語音模塊發(fā)送指令，針對語音播報模塊的設(shè)計流程圖如圖4.4所示。圖4.4語音播報模塊設(shè)計流程圖語音模塊在整個測試中有著舉足輕重的作用，起到直接提醒駕駛員的作用，其部分代碼如下，詳細請見附錄：#ifndef__WT588D_H#define__WT588D_H#include"sys.h"voidWT588D_GPIO_Init(void);u8WT588D_HANDLE(u16num,u8mode);#endif4.4顯示模塊設(shè)計基于單片機的駕駛員疲勞監(jiān)測與已經(jīng)系統(tǒng)采用OLED顯示屏進行系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，系統(tǒng)啟動后，首先進入初始化狀態(tài)，初始化完成后，顯示模塊來時進行待顯示內(nèi)容位置的選定，當待顯示的內(nèi)容位置選定后，開始通過OLED顯示模塊進行內(nèi)容和數(shù)據(jù)的顯示。從而實現(xiàn)用戶直觀查看。針對顯示模塊的設(shè)計流程圖如圖4.5所示。圖4.5OLED顯示屏設(shè)計流程圖其中顯示模塊的部分檢測程序如下所示：#ifndef__OLED_H#define__OLED_H#include"sys.h"#defineOLED_SCL_Clr()GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_6)//...其他宏定義及函數(shù)聲明...voidOLED_Init(void);#endif4.5按鍵模塊設(shè)計系統(tǒng)中通過按鍵來實現(xiàn)對系統(tǒng)閾值的設(shè)置以及模擬汽車點火和熄火的操作。系統(tǒng)中使用的按鍵為機械按鍵，機械按鍵在設(shè)計時需要考慮到機械按鍵的按鍵消抖問題，可以使用RC電路來實現(xiàn)消抖效果。在軟件編程時，也需要考慮到按鍵消抖，防止按鍵一次按下多次觸發(fā)的情況發(fā)生。對于軟件實現(xiàn)按鍵消抖是對按鍵按下時進行檢測，如果在20ms內(nèi)實現(xiàn)多次觸發(fā)，則表示其他次為誤觸，則不執(zhí)行該按鍵功能，如果在20ms內(nèi)只觸發(fā)一次，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能。針對按鍵模塊的設(shè)計流程圖如圖4.6所示。圖4.6按鍵模塊設(shè)計流程圖4.6繼電器模塊設(shè)計繼電器模塊在設(shè)計中的作用是當檢測到按下啟動或熄火按鍵，繼電器導(dǎo)通或斷開，針對繼電器模塊的設(shè)計流程圖如圖4.7所示。圖4.7繼電器模塊設(shè)計4.7本章小結(jié)這一章依靠嵌入式開發(fā)環(huán)境，利用分層架構(gòu)設(shè)計來達成系統(tǒng)軟件的模塊化和功能協(xié)同，主函數(shù)流程把初始化，數(shù)據(jù)采集，閾值判斷以及預(yù)警觸發(fā)的邏輯融合起來[26]，保證多任務(wù)處理具有即時性和穩(wěn)定性，傳感器數(shù)據(jù)處理模塊通過算法改良加強信號采集的精準度，并配合動態(tài)閾值設(shè)置做到對疲勞狀態(tài)的智能識別[27]；人機交互模塊憑借OLED顯現(xiàn)和語音播報及時告知監(jiān)測情況，改進系統(tǒng)的易用性，按鍵和繼電器控制模塊加入消抖算法和邏輯核對，保障操作回應(yīng)的正確性，軟件設(shè)計重視硬件資源調(diào)度和功能拓展，給系統(tǒng)以后的升級保存接口，這表現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)開發(fā)里軟硬件協(xié)同的設(shè)計理念。

5系統(tǒng)測試5.1軟件測試在軟件代碼完成驅(qū)動編寫后，即可以通過調(diào)試模式進行代碼功能和代碼產(chǎn)生結(jié)果的驗證，點擊Keil軟件中的調(diào)式模式按鈕即進入該模式，進入該模式的界面圖如圖5.1所示。圖5.1調(diào)試模式界面由圖5.1可以看出，在該界面可以對當前程序運行時各個變量的結(jié)果進行顯示，與此同時，在該界面還可以對部分代碼進行斷行驗證，僅驗證一小部分代碼的功能，這樣可以在不下載進入硬件系統(tǒng)的前提下就可以對代碼功能進行驗證。5.1.1軟件的燒錄燒錄的時候要保證開發(fā)板的硬件電路正常，各個模塊之間的連接沒有問題，STM32單片機的最小系統(tǒng)里，晶振電路，復(fù)位電路，下載電路，BOOT電路等都是已經(jīng)接好的；酒精傳感器，心率血氧傳感器，語音播報模塊，顯示模塊，按鍵模塊以及繼電器模塊等也按照設(shè)計需求接到了單片機上，而且電源供應(yīng)也是穩(wěn)定的，把開發(fā)板通過下載線同電腦相連，保證接觸良好，然后在Keil軟件中點一下下載按鈕，就開始燒錄程序，燒錄期間，軟件會把經(jīng)過編譯之后產(chǎn)生的代碼下載到STM32單片機的閃存當中，這樣就完成了代碼的燒錄。把開發(fā)板通過下載線同電腦相銜接，保證銜接穩(wěn)固，在Keil軟件里點擊下載按鈕，從而開展燒錄程序的工作，在燒錄的時候，軟件會把經(jīng)過編譯之后形成的代碼下載到STM32單片機的閃存當中，達成代碼的燒錄任務(wù)，燒錄結(jié)束以后，針對系統(tǒng)執(zhí)行功能檢測，查看系統(tǒng)能否正常啟動，OLED顯現(xiàn)模塊是不是可以準確顯現(xiàn)心率，血氧，酒精濃度這些信息；按動操作按鍵，考察閾值設(shè)置功能是否正常；模仿不一樣的駕駛場景，比如酒駕，疲勞駕駛，心率血氧不正常之類的狀況，來驗證系統(tǒng)的警報功能是否正常運行。5.2硬件測試5.2.1硬件電路的搭建我們在焊接前，要明確電路原理圖，掌握元件在電路板上的位置與連接關(guān)系。準備好焊接工具如優(yōu)質(zhì)電烙鐵、焊錫絲、助焊劑、鑷子等。電子元件包括STM32芯片、傳感器。還有PCB板，確保焊錫絲熔點、含鉛量達標，助焊劑可選松香或液態(tài)助焊劑。仔細檢查元件，保證完好且規(guī)格符合要求，并用酒精清潔元件引腳和電路板焊盤。?焊接時，電烙鐵溫度設(shè)為300-350℃，依實際調(diào)整；保持烙鐵與電路板呈45°夾角，避免碰到其他元件。按硬件接線圖，先焊小元件，如電阻、電容，再焊大芯片如STM32，焊接過程中涂助焊劑，確保引腳與焊盤充分接觸，每次焊接時間控制在2-3秒，失敗則稍作等待后重焊，烙鐵使用后放于烙鐵架。?焊接完成后，從外觀和電氣性能兩方面檢查。查看焊點是否飽滿光滑，有無虛焊、漏焊等，若有問題及時修復(fù)；用萬用表測試電路通斷、電阻等參數(shù)，檢查是否存在短路或開路，若有問題吸掉多余焊錫重新焊接。焊接得到的硬件實物圖如圖5.2所示。圖5.2硬件系統(tǒng)實物圖從圖5.2可直觀看到，系統(tǒng)全面包含方案設(shè)計里的所有模塊，各個功能單元安排恰當，銜接有序，在確定好硬件連接沒問題之后，馬上給系統(tǒng)通上電，從而開始執(zhí)行功能檢測流程，通電之后，系統(tǒng)的各個模塊一起運行起來，及時表現(xiàn)出工作狀況和數(shù)據(jù)回應(yīng)，其細致的檢測成果用可視化圖表的形式完全表現(xiàn)在圖5.3當中，給后面的性能評定給予了關(guān)鍵的參照依照。圖5.3通電測試效果圖從圖5.3顯而易見，系統(tǒng)執(zhí)行通電操作之后，顯示模塊立即開始工作，及時而準確地顯現(xiàn)諸多重要信息，屏幕之上，心率數(shù)據(jù)用動態(tài)曲線加上數(shù)字的方式清楚表現(xiàn)出來，血氧含量數(shù)值精確到小數(shù)點后面一位，酒精濃度檢查結(jié)果非常顯眼，車輛發(fā)動情況有著明顯的圖標和文字標識，汽車啟動所耗費的時間以分和秒作為單位不斷地計時更新，接著針對系統(tǒng)閾值設(shè)置功能展開專門的考察，其考察成果通過圖5.4全面表現(xiàn)出來，給評判系統(tǒng)性照。圖5.4系統(tǒng)閾值設(shè)置效果圖由圖5.4可以看出，對于閾值設(shè)置功能來說，系統(tǒng)按下設(shè)置按鍵后，此時顯示界面顯示設(shè)置閾值的上下限，通過閾值加和閾值減按鍵可以實現(xiàn)對閾值的設(shè)置，由于語音功能無法通過圖片進行展示，但是在測試時也對該功能進行了測試。綜上所述，本文所設(shè)計的系統(tǒng)符合設(shè)計要求。具體數(shù)據(jù)如下所示：測試模塊測試數(shù)據(jù)顯示心率檢測100正常心率檢測180LED閃爍蜂鳴器警報血氧檢測100正常血氧檢測35LED閃爍蜂鳴器警報酒精檢測0正常酒精檢測90mg/100mlLED閃爍蜂鳴器警報疲勞駕駛檢測點火2小時正常疲勞駕駛檢測大于4小時LED閃爍蜂鳴器警報

5.3本章小結(jié)此章通過軟件調(diào)試和硬件實測全方位地檢驗系統(tǒng)功能，包含傳感器數(shù)據(jù)采集精度，預(yù)警機制反應(yīng)速度以及人機交互感受等重要指標，軟件調(diào)試利用斷點調(diào)試和變量監(jiān)視找出邏輯上的漏洞，保證代碼執(zhí)行可靠無誤，硬件實測則通過模擬駕駛情景來驗證酒精濃度，心率血氧等參數(shù)的測量精確性，還有語音報警，繼電器控制等功能是否有效[28]，經(jīng)過測試可以看出，系統(tǒng)各個模塊配合協(xié)調(diào)運作良好，可以符合疲勞監(jiān)測和警示的設(shè)計需求，給后續(xù)的工程化應(yīng)用給予了數(shù)據(jù)方面的支持，還為類似系統(tǒng)的改良賦予了測試方法學(xué)上的參照。

6.結(jié)論6.1總結(jié)隨著中國機動車保有量不斷增長，道路交通安全事故越發(fā)頻繁，由于疲勞駕駛，酒后駕駛引發(fā)的交通事故時常出現(xiàn)，這給駕駛?cè)思捌渌缆肥褂谜叩娜松砗拓敭a(chǎn)安全帶來很大威脅，當下單一傳感器檢測模式存在監(jiān)測內(nèi)容單調(diào)，反應(yīng)緩慢，警報手段缺乏等許多問題，難以滿足現(xiàn)代智能交通體系對行車安全的嚴格需求，伴隨物聯(lián)網(wǎng)，植入式系統(tǒng)以及多傳感器技術(shù)快速發(fā)展起來，利用多傳感器及時監(jiān)測駕駛員狀態(tài)并發(fā)出警報漸漸成為智能汽車電子和交通安全領(lǐng)域主要的發(fā)展趨向[29]，依靠這種情形，本文把多傳感器駕駛員疲勞監(jiān)測警報系統(tǒng)當作課題設(shè)計內(nèi)容，其一，可以加強自身軟硬件開發(fā)操作能力，其二，能夠給駕駛安全輔助系統(tǒng)日后的推廣及改善賦予一些技術(shù)支撐。在執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計之前，先針對國內(nèi)外多傳感器駕駛監(jiān)測領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀展開了全面的查閱與分析，弄清楚當下疲勞檢測，酒精檢測，心率監(jiān)測，車內(nèi)狀態(tài)感知等技術(shù)的走向及短缺之處，給方案設(shè)計賦予依照，遵照已有的研究成果以及項目需求，決定系統(tǒng)以STM32單片機作主要控制平臺，并按照模塊化結(jié)構(gòu)來開展系統(tǒng)軟硬件設(shè)計[30]，硬件包含主控模塊，MQ3酒精檢測模塊，MAX30102心率血氧檢測模塊，WT588D語音廣播模塊，OLED顯示模塊，按鍵控制模塊和繼電器啟動仿真模塊，依照設(shè)備的特性和功能要求，完成各個模塊的電路原理圖和PCB圖繪制，保障系統(tǒng)穩(wěn)定而且數(shù)據(jù)采集可靠。軟件方面，依靠Keil開發(fā)環(huán)境來編寫主控程序，憑借中斷響應(yīng)機制，定時器控制以及數(shù)據(jù)采集，可以做到及時讀取許多傳感器的數(shù)據(jù)，執(zhí)行閾值判斷并觸發(fā)事件，而且還具備OLED顯示功能，能隨時把駕駛員的心率，血氧，酒精濃度以及車輛狀態(tài)等信息告知使用者，通過WT588D語音廣播模塊發(fā)出警報，用戶能夠自行設(shè)定各參數(shù)的閾值，借助按鍵去控制模擬發(fā)動機的啟動和停止，從而提升了系統(tǒng)的交互性與實用性。經(jīng)過對硬件系統(tǒng)進行全面的測試,酒精檢測是否準確,心率和血氧的監(jiān)測是否快速反應(yīng),數(shù)據(jù)能否實時顯示,語音播報是否成功等方面。測試后得出結(jié)論,系統(tǒng)功能正常,各個模塊之間配合默契,能及時準確的檢測并提醒駕駛員出現(xiàn)的異常情況,實現(xiàn)了設(shè)計目標。6.2展望和未來優(yōu)化方向日后，系統(tǒng)會在當前的基礎(chǔ)上進一步擴充駕駛員眼動追蹤，姿態(tài)檢測，情緒識別這些功能模塊[31]，依靠4G/5G無線通訊以及云數(shù)據(jù)經(jīng)營平臺，達成遠程監(jiān)測和駕駛大數(shù)據(jù)剖析應(yīng)用，從而給改善交通安全水平，營造智能駕駛生態(tài)體系賦予更為完備的技術(shù)支持。未來可以引入攝像頭與紅外傳感器，結(jié)合計算機視覺算法，根據(jù)眼睛的睜開和閉上的幅度去判斷駕駛員的疲勞情況，還可以嘗試去通過更多的方式給予駕駛員提醒和警告。如聲音強度，根據(jù)檢測結(jié)果和現(xiàn)代技術(shù)去推算預(yù)計駕駛員將在什么時候會進入疲勞狀態(tài)，并進行相應(yīng)的提醒和告知。當然，本次實驗也有很多需要改善的地方，如檢測的數(shù)據(jù)過少，人的疲勞是多元化的，可能會有各種各樣的因素讓人們忽略，如心情因素或者今天遇到的事情也會影響。其次復(fù)雜路段對駕駛員的影響，也沒有被仔細考慮進去，可能會大大降低數(shù)據(jù)的可靠性。如剛吃完飯之后，駕駛員的血氧心率一定會客觀的下降，稍作休息后便可以恢復(fù)到正常，所以多維多角度多方面的去考慮是必要的。語音播報和顯示模塊不夠大成，比較分散，無法更好的協(xié)同完善。本方案與現(xiàn)代科技做不到緊密結(jié)合，不能靈活運用現(xiàn)代技術(shù)為人們造福，略顯落后。若后期有機會更改，希望能利用好車路協(xié)同以及智能駕駛等熱門話題和技術(shù)，為駕駛員們提供更加便利的服務(wù)。

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附錄本設(shè)計部分代碼#include"sys.h"#include"delay.h"#include"gpio.h"#include"oled.h"#include"MQ3.h"#include"adc.h"#include"timer.h"#include"usart1.h"#include"max30102.h"#include"wt588d.h"#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<stdbool.h>#definePLAY_HEART_RATE0//播報心率異常標志#definePLAY_BLOOD_OXYGEN1//播報血氧異常標志#definePLAY_DRUNK_DRIVING2//播報酒駕異常標志#definePLAY_ALCOHOL3//播報酒精超標標志#definePLAY_FATIGUE_DRIVING20//播報疲勞駕駛標志#definePLAY_START_REMIND21//播報啟動點火標志chardisplay[16];//顯示緩存區(qū)floatAlcohol=0.0;//酒精濃度boolTwinkleFlag=0;//閃爍標志boolstart_flag=0;//啟動標志boolshuaxin=0;//刷新數(shù)據(jù)標志boolalcohol_warn=0;//酒精超標標志boolinit_flag=1;//初始化標志u8setn=0;//記錄設(shè)置按鍵按下的次數(shù)u8bobao=0;//語音播報標志u8dis_time=0;u16bpmMin=60,bpmMax=120;//心率下限上限u16spo2Min=85;//血氧下限u16AlcoholMax=80;//酒精上限u8alarmFlag=0x00;//報警標志longtime=0;//計時時間uns