毕业论文-汽车疲劳驾驶预警系统的设计

汽车疲劳驾驶预警系统的设计汽车疲劳驾驶预警系统的设计摘 要汽车已经成为我们人类生活中的一种必需的交通工具，不仅与我们的生活息息相关，而且与我们的生命安全关系密切。因为疲劳驾驶造成的交通事故已经严重的威胁到我们的生命财产安全，所以设计一种能够降低交通事故发生概率的设备是有必要的。本设计是基于AT89C2051单片机的汽车疲劳驾驶检测预警系统。它可以用来检测汽车驾驶员的疲劳程度，使用此装置在一定程度上能降低交通事故。而且，它的检测方式是非接触式的，使用红外线检测驾驶员的心率。然后，由单片机系统判断其是否处于疲劳驾驶状态，将显示结果使用LCD液晶显示屏显示出来，并进行语音提示并且报警。该设计简单实用，有很高的实用价值。关键词：疲劳驾驶,预警系统,AT89C2051,红外检测汽车疲劳驾驶预警系统的设计Design of Vehicle Fatigue Driving Alarming System ABSTRACT The vehicles have become an essential transport for human life, because not only our life, but also the safety. For these accidents caused by driver fatigue have posed a serious threat to our life property. So, it is necessary to design a device that can help reduce the rate of traffic accidents. This paper describes a warning system about vehicle fatigue driving based on SCM AT89C2051. It can test the level of drivers fatigue, using this device to reduce the number of traffic accidents to a certain extent. Besides, the method of detection is untouched, using infrared to detect the heart rate of drivers. Then, the Single Chip Microcomputer (SCM) will judge whether he or she is in the fatigue driving situation. The results will be displayed by LCD with providing voice prompt. This design is simple but practical. Most importantly, it is of great value.KEY WORDS：fatigue driving, alarming system, AT89C2051, infrared detection目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究意义21.3 国内外研究现状21.4 研究内容及论文安排31.4.1 研究内容31.4.2 论文安排42 基本结构模块52.1信号采集电路52.1.1光电传感器简介52.1.2光电传感器检测原理62.2信号放大62.2.1放大器的介绍72.2.2放大电路72.3 波形整形部分83 硬件系统设计103.1 心率采集控制系统103.2 AT89C2051的介绍113.2.1 AT89C2051单片机芯片的管脚介绍113.2.2 AT89C205l的功能特点133.3 设计方案133.3.1 检测方法133.3.2 检测原理133.3.3 系统设计方案143.4 单片机控制电路143.4.1 晶振电路143.4.2 复位电路153.4.3 工作原理153.4.4 元器件的选取153.5 LCD显示电路163.5.1系统显示设计概述163.5.2 LCD液晶显示屏概述163.5.3 1602工作原理173.5.4 液晶芯片1602功能介绍173.5.5 液晶芯片1602的指令说明及时序183.6 本章小结194 软件系统设计204.1 主程序设计204.2 定时程序设计204.3 中断子程序设计224.4 显示子程序设计244.5 软件调试254.5.1 调试软件的介绍254.5.2 调试结果264.6本章小结26总 结27致 谢28参 考 文 献29附 录 系统原理图30附 录 部分源程序代码31汽车疲劳驾驶预警系统的设计1 绪论1.1 课题背景 驾驶疲劳是指驾驶员由于睡眠不足或长时间持续驾驶造成的反应能力下降，这种下降表现在驾驶员困倦、打瞌睡、驾驶操作失误或完全丧失驾驶能力。驾驶疲劳反映在生理与心理两个方面，生理反映包括神经系统的功能、血液和眼睛的变化；心理反映包括反应时延长、注意力分散、动作不协调。美国印第安那大学对交通事故原因的调查研究发现85的事故与驾驶员有关，车辆和环境因素只占15。驾驶员在事故发生前一瞬间的行为和故障直接导致了事故的发生，这些行为包括知觉的延迟、对环境的决策错误、对危险情况的处理不当等。在所有的驾驶员错误中，最常见的是知觉延迟和决策错误，这些错误会产生注意力不集中、反映迟钝、操作不当等，产生这些错误的根本原因就是驾驶疲劳。由于司机疲劳驾驶导致警惕性水平的下降，从而造成交通事故的增长，这已成为了社会普遍关注的一个热点。如果司机疲劳驾驶，那么他的观察、识别和车辆控制能力都会显著下降，严重威胁自身的安全和其他人的生命。随着交通运输业的发展，交通事故已成为当前各国所面临的严重问题。据世界卫生组织统计，全世界每年有120多万人死于交通事故，数百万人受伤或致残。全球每年交通事故造成的经济损失高达5180亿美元，其中发展中国家占1000亿美元。近年来，我国恶性道路交通事故呈上升趋势。我国交通事故死亡人数己连续10多年居世界第一。我国因车祸丧生的人数，十几年间己从每年5万多人增长到10多万人，是交通事故死亡人数居世界第二位国家的两倍。其中，驾驶员疲劳造成交通事故的占总数的20左右，大约占特大交通事故的40以上。所以进行疲劳检测技术的研究是十分必要的，且有其深远的意义。同样，在国外情况也差不多。美国国家公路交通安全管理局也就是所谓的NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)最近几年的调查显示：每年平均有56000起车祸与疲劳驾驶相关，造成76000人受伤，1544人死亡(占交通事故死亡总人数的3.7)，调查还显示有27的受访者表示有过开车打磕睡的经历。2004年美国国家交通安全委员会NTSB(National Transportation Safety Board，NTSB)检查了107起由驾驶员造成的卡车交通事故，表明有58%的交通事故与驾驶员疲劳驾驶有关。美国汽车联合会 (American Automobile Association)的交通安全部初步估计41%59%的重型卡车交通事故与疲劳驾驶有关。英国交通研究实验室认为驾驶疲劳导致的路面交通事故大约占全部交驾驶员通事故率的10%。法国国家警察总署事故报告表明，因疲劳瞌睡而发生的车祸，占人身伤害事故的14.9，占死亡事故的20.6。德国保险公司协会估计，在德国境内的高速公路上，大约25导致人员伤亡的交通事故都是由疲劳驾驶引发。澳大利亚联邦议会统计：在2000年，司机疲劳驾驶造成的交通事故占所有交通事故的20%到30%；专家认为这只是保守统计，实际所占的比例可能更大。 近期关于疲劳特征，疲劳后的主要现象有： 反应时间显著增长，注意力分散，判断能力下降，主动性降低，注意力分配不均衡且转移速度降低，经常丢失重要的信息；感觉器官的功能减退或紊乱，如视觉模糊、听力下降、判断迟缓；驾驶动作不灵活，操作能力下降，节律失调；记忆和思考能力下降，判断失误增多；驾驶员的信心、决心、耐性和自我控制能力减退，缺乏坚持不懈的精神，易于激动、急躁和开快车；过度疲劳会使驾驶员在行车途中产生困倦，甚至打瞌睡。驾驶疲劳导致事故的形成过程通常是：大脑供氧不足叶中枢神经疲劳感觉下降、知觉迟钝肌肉收缩的调节机能恶化感觉刺激中断认识迟缓、判断失误、操作失误、打瞌睡等交通事故。可见，疲劳驾驶会引起大量的交通事故。如果建立一套疲劳检测系统能够切实有效的工作，必定可以大大减少由疲劳驾驶所引起的交通事故，不但能减少人员伤亡，而且能避免因此产生的经济损失。疲劳是有其可以识别的特征的。由于司机驾驶疲劳会产生神经系统功能、循环机能、血液、眼睛、呼吸机能、体温等生理变化，这些变化通过驾驶员的自觉症状和他觉症状反映出来。所以可以通过衡量方向盘的微调，脑波，心率，头手的位移，眼睑的闭合程度或眨动速率等一些有特异性和可量化的指标，通过大量实验确定驾驶疲劳的评价标准，以量化的值加以表示，来判断驾驶员是否已经疲劳。 可见，疲劳驾驶会引起大量的交通事故。如果建立一套疲劳检测系统能够切实有效的工作，必定可以大大减少由疲劳驾驶所引起的交通事故，不但能减少人员伤亡，而且能避免因此产生的经济损失。正因如此，研究出一套疲劳检测的系统是极有现实意义的。1.2 课题研究意义疲劳驾驶就是驾驶员较长时间维持一个姿势或者休息时间不够等原因造成的反应迟钝，驾驶员打盹、疲乏、操作不当甚至完全丧失驾驶能力就是它的主要表现。并且，疲劳驾驶不仅反映在心理上，还反映在生理上。心理上的反应包含反应时间延迟、出现动作不协调、大脑注意力分散等；生理反应上包括神经系统、血液、眼睛、握力等的变化。疲劳驾驶所造成的危害是不言而喻的，所以，对汽车疲劳驾驶的研究是必要的，对汽车疲劳驾驶智能报警系统的开发是可行且必须的。1.3 国内外研究现状国外研究最早可追溯到1935年，美国交通部管辖的洲际商业协会ICC要求美国公共卫生服务署USPHS对城市商业机动车驾驶员服务时间管理条例的合理性所进行的调查，但对驾驶疲劳的实质性研究工作是从20世纪80年代由美国国会批准交通部实施驾驶服务时间改革，研究商业机动车驾驶和交通安全的关系，并健全卡车和公共汽车安全管理条例开始的。近年来，各国竞相开展了驾驶员疲劳车载电子测量系统的研究开发工作，尤其是美国的研究发展较快。现有研究成果中具有代表性的产品有：美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS。采用多普勒雷达和复杂的信号处理方法，可获取驾驶员烦躁不安的情绪活动、眨眼频率和持续时间等疲劳信号。美国EISP公司开发的方向盘监视装置SAM是一种监测方向盘非正常运动的传感器装置。若方向盘持续4S不运动，SAM发出报警，直到方向盘继续正常运动为止。美国Ellison Research Labs实验室研制的DAS2000型路面警告系统是一种设置在高速公路上的红外线监测装置，当车辆偏离道路中线时，会向驾驶员发出警告。英国研制了一种名为“疲劳驾驶员警报系统”的新型电子设备，该系统将一些常见因素作为参考系数。瑞典汽车厂商沃尔沃推出了一项“驾驶员警示系统”，它参照公路上的各种标线来辨别车辆的行驶状态，主动防御事故的发生。日本开发出通过安装在方向盘上的探测装置来感知手握方向盘时的脉搏跳动，利用软件实时分析判断疲劳状态的疲劳报警系统。日本东芝公司开发出一种微型脉搏检测仪用于疲劳的监控，可通过无线传输与手机交换数据。日本13立公司开发出一款手表式脉搏检测仪用于疲劳的监控，可方便地进行脉搏信号的检测。 我国的疲劳驾驶预警系统的研究起步较晚，目前比较成型的是由清华大学和东南大学的几位博士组建的中国单片机公共实验室南京研发中心联合南京远驱科技有限公司研究出来的gogo850是国内唯一已经商业化的疲劳驾驶预警系统，其原理和丰田十三代皇冠标配的瞌睡报警系统类似，主要检测驾驶员的眼睛开合情况，尤其增加了对瞳孔的识别，睁眼睡觉瞳孔很暗，即使有驾驶员睁眼睡觉也能被识别出，基于红外图像的处理使得产品在阳光下和黑暗里都能进行识别，系统还能对戴各类眼镜的驾驶员进行识别，实用性很强。1.4 研究内容及论文安排1.4.1 研究内容此设计以AT89C2051单片机芯片为核心，采用红外线来检测并采集驾驶员的脉搏，单片机进行判断并控制，最终达到预警目的。人体组织中的血液流量伴随着心脏的搏动而产生变化，血管中血液的饱和度发生变化，那么人体组织的半透明度也会因此被改变。当血液被送到人体各部分的组织时，血管中的血液饱和度就会变大相应的组织的半透明度就会减小；当血液重新流回到心脏时，人体组织血管中的血液饱和度变小，相应的它的半透明度就会增大。因此，如果在人体组织相对比较薄弱的地方用红外发光二极管产生的红外线照射，就可以用红外三极管接收并将其转换为电信号。因为用上述方法测试得到的脉搏信号跟人体的脉搏频率成正比，脉搏信号只要通过一定功能的电路转换成的 脉冲信号并对其进行相应的处理，就可以实现检测的脉搏频率被随时检测的目的。而如果检测到的脉搏频率低于或者高于正常值的百分之二十时，单片机对其进行分析输出，然后驱动报警电路，对驾驶员进行报警，从而实现其智能。1.4.2 论文安排论文第1章为绪论，主要介绍了汽车疲劳驾驶的现状及其研究意义，本设计研究的内容及论文安排；第2章为系统设计方案的介绍，包括其具体可实现的功能及电路的设计；第3章为硬件系统设计部分, 这部分详细介绍了所选硬件的特性及其各部分对实现自己所需要功能的作用及其电路图；第4章为软件设计部分，给出了主程序和各子程序流程图，程序清单以附件的形式附在论文最后。第5章为结论部分。接下来为致谢和参考文献。最后附有原理图及程序清单。2 基本结构模块2.1信号采集电路图2-1是脉搏信号的采集电路，D1,Q1是红外发射和接收装置，由于红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，所以对R1阻值的选取要求较高。R1选择270同时也是基于红外接收三极管感应红外光灵敏度考虑的。R1过大，通过红外发射二极管的电流偏小，红外接收三极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R1过小，通过的电流偏大，红外接收三极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当手指离开传感器或检测到较强的干扰光线时，输入端的直流电压会出现很大变化，为了使它不致泄露到U2B输入端而造成错误指示，用C2、C3串联组成的双极性耦合电容把它隔断。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是由于红外接收三极管中存在暗电流，会造成输出电压略低。二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收三极管中的暗电流减小，输出电压上升。但该传感器输出信号的频率很低，如当脉搏只有为60次/分钟时，只有1Hz，120次/分钟时也只有2Hz，因此信号首先经R2、C1滤波以滤除高频干扰，再由耦合电容C2、C3加到线性放大输入端。图2-1 信号采集电路2.1.1光电传感器简介光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。在此次设计中我们采用的是光电传感器中最常见普遍的光敏二极管做红外接收二极管和光面三极管做红外发送三极管。(1)光敏二极管光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。(2)光敏三极管光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流很小，比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子空穴对，使得基极产生的电流增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。2.1.2光电传感器检测原理检测原理是: 随着心脏的搏动，人体组织半透明度随之改变：当血液送到人体组织时，组织的半透明度减小，当血液流回心脏，组织半透明度则增大；这种现象在人体组织较薄的手指尖、耳垂等部位最为明显。因此本设计将光敏二极管产生的红外线照射到人体的手指部位，经过手指组织的反射和衰减由装在该部位旁边的光敏三极管来接收其透射光并把它转换成电信号。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的反射和衰减也是周期性脉动的, 于是光敏接收三极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。故只要把此电信号转换成脉冲并进行整形、计数和显示，即可实时的测出脉搏的次数。2.2信号放大2.2.1放大器的介绍LM324 是四运放集成电路，它采用14 脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2-2所示的符号来表示。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“11”、“4”为正、负电源端，“1”为输出端。两个信号输入端中，2为反相输入端，表示运放输出端1的信号与该输入端的相位相反；3为同相输入端，表示运放输出端1 的信号与该输入端的相位相同。LM324 的引脚排列见图2-3。 图2-2 运算放大器 图2-3 LM324引脚排列由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用,价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。2.2.2放大电路按人体脉搏在运动后跳动次数达120次/分钟的计算来设计低通放大器。R4、C4组成低通滤波器以进一步滤除残留的干扰，截止频率由R4、C4决定，运放U1将信号放大，放大倍数由R4和R5的比值决定。如图2-4所示：图2-4低通放大电路根据一阶有源滤波电路的传递函数，可得： (2-1)按人体的脉搏跳动为120次/分钟时的频率是2Hz考虑，低频特性是令人满意的。2.3 波形整形部分当有输入信号时，U3在比较器输入信号的每个后沿到来时输出高电平，使C6通过R1充电。大约持续20ms之后，因C6充电电流减小而使U3同相输入端的电位降低到低于反相输入端的电位（尖脉冲已过去很久），于是U3改变状态并再次输出低电平。这长的脉冲是与脉搏同步的，并由红色发光二极管D3的闪亮指示出来。即发光二极管作脉搏测量状态显示，脉搏每跳动一次发光二极管就亮一次。同时，该脉冲电平通过R12送到单片机p3.3脚，进行对心率的计算和显示。整形电路如图2-5所示。图2-5 波形整形电路3 硬件系统设计在硬件部分，电路主要完成的是心率采集和心率数据处理的功能，那么可以将整体电路分为心率采集和单片机控制电路。3.1 心率采集控制系统图3-1 心率采集处理电路红外检测采集电路模块：由D1和Q1组成的红外检测元件等组成；信号整形电路模块：RC振荡电路（由电阻R2和电容C1组成）、光电隔离电路、一阶低通滤波电路，它们共同构成了信号抗干扰电路组；另外，它们和IC1b、C5与R10、IC1c共同组成信号整形电路。以上三个主要的模块组成心率采集电路。心率采集处理电路工作过程如下：电路中的红外线二极管D1发射红外线照射到耳垂或指尖部位，然后红外接收三极管Q1接收相应人体部位的半透明度，电信号就这样被转换出来了。据相关资料显示，大多数人体的脉搏是在六十次每分钟和一百二十次每分钟之间，这样经过计算可得到的频率范围大致就在1Hz和2Hz之间，由此可知，经由红外设置得到的脉搏频率会很低。那么，外界高频信号会很容易地干扰到脉搏信号而出现错误，所以，信号在进入单片机系统之前就必须先进行处理才能够使用。电路中采用C1和R2组合进行低通滤波，可以滤除绝大多数的高频干扰。然而，由于本系统设计的使用场所为室外，室外光线相对室内明亮许多，因此它很大可能会遇到强光辐射的情况。电容C2和电容C3串联组成的双极性耦合电容的设计，可以避免室外强光干扰接收脉搏时的红外线（它们构成了一个简单的光电隔离电路，从而使干扰光线被隔离）。另外，为了彻底滤除高频干扰，使用由IC1a、电容C4、电阻R4组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波器电路，又把输入的信号放大两百倍左右。到这里就得到了经由前面处理所得到脉冲正弦波是有噪声的，需要对它整形。先要正弦波信号经过比较器IC1b转换成方波（电压比较器可以实现将模拟信号转换为二值信号的功能，即只有0和1两种状态的离散信号），而利用R8可以把比较器的阈值电压调定在正弦波的幅值范围之内。然后，信号经由电容C5和电路R10构成的微分电路（微分运算电路输入方波，且RC远小于T/2时，就输出尖顶波）方波进行微分处理就可以成为正负相间的尖脉冲。得到的脉冲输入到IC1c（单稳多谐振荡器）的反相输入端来稳定脉冲的输出，然后IC1c的输出就可以成为后面的实际需要。单稳多谐振荡器IC1c在工作时，输入信号一旦出现，输出端就会输出一个高电平，与此同时电容C6就会通过电阻R11充电。充电过程大约需要20毫秒，之后，因为电容C6充电电流的减小使得IC1c的同相输入端电位降低，当反相输入端的电位高于同相输入端的电位时(此时尖脉冲已过去很久)， IC1c就将改变存在的状态并再次输出低电平。这20毫秒的时间所产生的脉冲是与人体的脉搏是同步的，电路D3发出红光的闪烁情况会和信号脉冲相呼应。那么，此时就有了实际所需的脉冲信号，它经由电阻R12直接被送到AT89C2051单片机的P3.3引脚，然后，经过系统的处理就可以实现后面的计数以及显示了。电路中R14、R15对9V电压分压并经过IC1d缓冲所得到的4.5V电压就是IC1a、IC1b、IC1c它们工作所需的电源电压。这样的设置，使得即使电池电压降低到6V，电路也能实现正常工作。3.2 AT89C2051的介绍3.2.1 AT89C2051单片机芯片的管脚介绍图3-2 AT89C2051单片机的引脚配置图此单片机有20个引脚，相关引脚配置如图3-2所示。各个管脚的功能是： (1)VCC：电源电压。 (2)GND：接地。 (3)P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入和反相输入。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。 (4)P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。 P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能，引脚口功能如下： P3.0 RXD串行输入端口 P3.1 TXD串行输出端口 P3.2 INT0外中断0 P3.3 INT1外中断1 P3.4 T0定时器0外部输入 P3.5 T1定时器1外部输入 P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 (5)RST：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。 (6)XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。 (7)XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。3.2.2 AT89C205l的功能特点AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。它与工业标准Mcs一51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89C2051有以下特点：2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有425V至55v的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、输出可直接驱动LED、片内模拟比较器、低功耗空闲、掉电和时钟电路等。此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器TimerO和Timerl。作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加l，这样寄存器即可计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P34/TO和P35/Tl上出现从1至O的变化时增l。由于需要二个机器周期来辨认一次l到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P32/INT0和P33/INTl编程，便于测量脉冲宽度的门。3.3 设计方案3.3.1 检测方法此设计采取的方法用红外线来检测人体脉搏，因为光能避开很强烈的电磁干扰，具有很强烈的绝缘性，并且可以做到非侵入式的检测脉搏波。它采用红外线来检测并采集驾驶员的脉搏，所检测部位可以为被检测人的一个手指或耳垂（对于驾驶员来说检测耳垂会比较不影响他的驾驶，如果制造成蓝牙耳机的样式会更加实用方便）。3.3.2 检测原理此设计的检测基本原理是：人体组织中的血液流量伴随着心脏的搏动而产生变化，血管中血液的饱和度发生变化，那么人体组织的半透明度也会因此被改变。当血液被送到人体各部分的组织时，血管中的血液饱和度就会变大相应的组织的半透明度就会减小；当血液重新流回到心脏时，人体组织血管中的血液饱和度变小，相应的它的半透明度就会增大。因此，如果在人体组织相对比较薄弱的地方（例如指尖和耳垂）用红外发光二极管产生的红外线照射，就可以用红外三极管接收并将其转换为电信号。因为用上述方法测试得到的脉搏信号跟人体的脉搏频率成正比，脉搏信号只要通过一定功能的电路转换成的脉冲信号并对其进行相应的处理，就可以实现检测的脉搏频率被随时检测的目的。而如果检测到的脉搏频率低于或者高于正常值的百分之二十时，单片机对其进行分析输出，然后驱动报警电路，对驾驶员进行报警，从而实现其智能。3.3.3 系统设计方案综上，设计系统框图及其说明如图3-3所示：红外检测与采集脉搏信号抗干扰及滤波信号整形与放大单片机AT89C2051报警系统液晶屏显示图3-3 设计系统框图3.4 单片机控制电路单片机AT89C2051；LCD显示屏(SMC1602A)，显示部分用来显示数据；蜂鸣器，发出提示音；晶振电路，给单片机提供晶振；以及复位电路等几部分。3.4.1 晶振电路在单片机系统中，有通用的晶振电路，它是一种非常典型的电路，分为外部时钟方式和内部时钟方式两种。此设计使用的晶振频率是12MHz，在晶振两端接上负载电容构成三点式电容振荡是为了帮助晶振起振，即XTAL1、XTAL2两端口外接两个33PF的谐振电容。当晶振电路能够提供稳定的时钟信号后，单片机就可以一步一步地从ROM中取指令执行程序。3.4.2 复位电路复位电路和晶振电路一样都是单片机系统中非常典型的外部电路。从功能上复位电路的实现一般可以分为两种 ：一种是使用电源复位，即外部的复位电路在系统上电之后直接使单片机工作，单片机的开启和暂停都是通过电源控制的;另一种方法就是在复位电路中设计了按键开关，通过设计的按键开关来触发复位电平，控制单片机的复位。此设计采用的是第二种，当按下开关K且通电时，电容两端便相当于是短路，单片机上的RST引脚上就会变成高电平，然后电源就会通过电阻给电容充电，RST端电压慢慢降下，高电平就会变成低电平，单片机就会开始正常工作。3.4.3 工作原理脉冲信号被心率采集电路处理后，所得结果与单片机的P3.3引脚相连。单片机的中断触发模式设定为负跳变触发。当脉冲的下降沿到达时，AT89C2051就会被触发产生中断，相关程序就会对脉冲开始计时；当下一个脉冲的下降沿到达时，单片机就对前后相邻下降沿之间的时间间隔计算，计算所得到的结果就是被检测驾驶员的心率。这个结果由P1口送至液晶显示芯片的DB端口，数据进行处理后显示出来。在液晶显示屏显示心率值之后，单片机将对此心率值与60次/分120次/分的人体正常脉搏范围进行比较。若此心率值X为60X120，显示芯片中会显示“very good！”，以表示被测试者心率正常；若此值不在60到120范围之内，即X60或者X120，那么，显示芯片中就会显示“a little bad！”，以便表示被测者心率不正常。另外，为更人性化而提示用户及时观察显示屏上的心率值，电路中设置了一个蜂鸣器电路，由单片机系统驱动，当每次脉冲到来时，单片机的P3.7引脚所连接的蜂鸣器SP都会发出提示音提示用户，那么，当用户第二次听到蜂鸣器发出的提示音时，就表明一分钟的脉搏计数的显示已经完成。这样，就可以用这种方法来提示驾驶者自己此时所处的状态是否是正常的。此外，此设计的有效测量显示范围是50次/分到199次/分。为了避免可能被出现的干扰影响到检测，在单片机对两个脉冲之间的时间间距进行检测时，即意外情况的出现使得到的心率次数值不在我们所设置的有效测量范围之内时，就忽略该干扰并且不显示。这样子就更加降低了心率计在实际使用时所出现的误差的可能性。3.4.4 元器件的选取设计中心率计的电源为七到九伏的直流电源，可以通过交直流转换后来获取到电压，同样的可以直接使用电池供电。正常工作时的电流为100mA。硬件电路中所使用的IC1a、IC1b、IC1c和IC1d是运算放大器IC1（四运放LM324）的四路分配。使用普通蜂鸣器作为提示音装置。单片机采用的是12MHz的晶振。在整合安装时，可以把D1和Q1分别连接到蓝牙耳机式装置的耳垂前后的位置，剩余的电路板等各部件安装在一个塑制小盒中，小盒可以放在驾驶员前的玻璃窗下面。为方便使用时进行按键操作和观察，红色发光二极管D3、蜂鸣器、复位键K1、液晶显示器的显示窗口都需要在塑制小盒的上方留出一定的放置位置。在实际使用时，驾驶员先将D1和Q1组成的蓝牙耳机样式的检测装置戴上，然后接通电源。心率计在正常工作时，能看到红色发光二极管在闪烁，为提高安全系数，复位键K1被按下之后，单片机复位，并重新开始测量脉搏信号计数和显示。在听到第二次蜂鸣器的提示音之后，显示屏上观察到的是被检测者的心率，随后可以看到之前显示的心率是否正常的英文提示语。3.5 LCD显示电路3.5.1系统显示设计概述在显示部分，我选择了LCD液晶显示屏，显示是对自已设计实现的一个反馈，可以直观的看到我所做的设计的结果。液晶相对于LED数码管有很多的优点，而且更适用于此设计。数码管显示内容单一，液晶比较丰富；数码管一般就是一个七段的八字，当然多的有十六段的中间米字型的，液晶可以显示各种基本的内容；数码管是自发光的，液晶是靠背光的；数码管是LED发光的效果，液晶是分子偏转引起的暗影效果；数码管比液晶耗电，总的来说液晶显示直观，简单，方便。 3.5.2 LCD液晶显示屏概述本设计采用LCD液晶显示屏显示。其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用SMC1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。它具有16个引脚，其正面左起为第一脚，如图3-4所示。图3-4 LCD显示电路3.5.3 1602工作原理1602LCD分为带背光和不带背光两种,带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。LCD1602主要技术参数有： (1) 显示容量:162个字符 ；(2) 芯片工作电压:4.55.5V ；(3) 工作电流:2.0mA(5.0V) ；(4) 模块最佳工作电压:5.0V ；(5) 字符尺寸:2.954.35(WH)mm。3.5.4 液晶芯片1602功能介绍1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明见表3-1所示:表3-1 液晶芯片1602的外部接口编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读 /写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。3.5.5 液晶芯片1602的指令说明及时序LCD寄存器的选择，见表3-2所示：表3-2 LCD寄存器的选择ER/WRS功能说明100写入命令寄存器101写入数据寄存器110读取忙碌标志及RAM地址111读取RAM地址0X不动作1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，见表3-3所示：表3-3 LCD液晶模块控制器序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址8置数据存储器地址001显示数据存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM到DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）。指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示