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1、海南大学 传感器设计论文 防疲劳安全驾驶系统设计课程：传感器原理及其工程应用学院：信息与科学技术学院班级：08级电子信息工程目录引言2设计系统简介3传感器设计与选择4整体系统设计7系统应用前景10参考文献11关键词: 智能 汽车安全驾驶 传感器摘要：汽车防疲劳安全驾驶系统采用先进的电容感应触摸式传感器，通过微处理器判断驾驶员的注意力集中程度，通过音乐系统播放不同类型的音乐刺激司机，缓解驾驶员的压力，使其集中注意力。一、引言随着社会经济的发展，商用长途货物运输车越来越多，随着人们生活水平提高，私家轿车数量与日俱增。为满足人们生活工作需要，长途汽车运输得到飞速发展，各地高速公路的筹建，驾车旅游路线
2、的开设，代驾公司的建立，这些都促使汽车用户大幅度增加，汽车成为每家每户外出首选的交通方式。据国家统计局发布的报告显示，2008年全国轿车保有量达2438万辆，其中私人轿车1947万辆，相当于每百人拥有1.5辆轿车，是世界平均水平的1/8。尽管如此，在沿海发达城市汽车保有量不亚于发达国家，据上海市城调队最新调查显示，截至2009年第一季度末，上海市区每百户居民家庭拥有家用汽车24.3辆，这个数量比世界平均水平高出一大节。我国人均汽车拥有量增长很快， 汽车使用量增加，由此引发的交通安全问题是影响我国乃至全球和谐发展的严重问题。随着交通运输业的发展，道路交通伤害已日益成为威胁人类生命安全的一种世界性
3、公害。全球每年约有120万人死于道路交通伤害，同时大约有5000万人受伤。在我国，每年因道路交通伤害死亡的人数居世界首位，而且以每年10的速度递增。注意力不集中是许多司机经常遇到的一个问题，它比较常发生在长时间驾驶，或者身体不适处于疲惫状态下驾驶。疲劳驾驶的特征为反应迟钝、动作不灵敏、精力不集中甚至打瞌睡，由此，注意力分散的司机对驾驶环境的识别缓慢，产生相应驾驶操作需要较长的时间，这样带来较高的行车危险性。防疲劳安全驾驶系统设计的设计旨在使注意力分散驾驶的司机能随时通过系统发觉自己的驾驶状态，通过此系统刺激驾驶员集中注意力，若使用在客车上还可以让乘客对司机进行监督，从而保障行车安全，减小由于注
4、意力分散产生交通事故的可能性。这也为人类生命财产安全提供了有力保障，降低道路伤害对国家社会经济造成的损害。自主创新是当今社会的另一大主题。防疲劳安全驾驶系统采用先进的电容感应触摸式传感器，通过微处理器判断驾驶员的注意力集中程度，通过音乐系统播放不同类型的音乐刺激司机，缓解驾驶员的压力，使其集中注意力。二设计系统简介1系统名称：防疲劳安全驾驶系统2系统功能：1）自动检测功能；2）实时判断驾驶员注意力集中情况；3)音乐系统根据驾驶员精神状态播放不同类型音乐，起提神作用；4)与汽车中央CPU通信功能。3系统特点：1)可非接触式测量，可在高温、辐射和强烈震动等剧烈工作环境下工作；2)自动检测；智能化判
5、断司机注意力情况；3)成本低、使用方便；采用新型触摸开关，美观、磨损小、寿命长；4)操作简单，使用方便；空间占用小，易安装；5)操作模式具有可选择性；可与汽车中央CPU实时通信。4系统创新点： 1) 安装庞大的不同类型的音乐；2)智能判断驾驶员注意力集中程度；3)采用多任务实时操作系统；4)通过警示灯和音乐系统对司机提神；5)采用电容感应触摸式传感器，无磨损，寿命长，可靠性高。三 传感器设计与选择在这个系统中，电容式传感器起到举足轻重的作用，我们先来讨论有关传感器的信息。面向汽车应用的开关和按钮所遭受的设计约束必须应对的不利条件是：宽温度范围宽湿度范围驾乘人员连续不断的污损与早期的车型相比，如
6、今汽车的开关和按钮要多得多。不仅数量众多，而且还必需能够很容易地安装到外形日益多样化的操纵面之中。另外，它们还需具备成本效益性，以取代密封型开关。一种逐渐走红的方法是转变为采用电容式触摸开关。由于未采用机械式部件，而且能够与成形操纵面相吻合，因此电容式触摸开关提供了汽车行业所需要的可靠性和价位。汽车内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。这些传感器必须要经受住从一40+150的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测汽车运行的有关状态，并将这些状态转换成电信号供给单片机处理。车内驾驶员触摸式传感器工作灯和警示灯触摸传感器驱动电路传感
7、器自检电路车速传感器智能微处理系统汽车中央调频电容传感器图1 防疲劳安全驾驶系统组成示意图防疲劳安全驾驶系统组成示意图如图1所示，方向盘左右分别装有电容感应式传感器，专用于识别人手的触摸动作，在汽车行驶过程中，驾驶者必须在一定的时间间隔内触摸传感器位置把柄，如若在规定的时间内驾驶者没有触摸电容感应传感器，则系统警示灯闪烁，同时音乐系统慢慢响起随和的音乐，若在音乐想起一段时间后，驾驶者仍然未触摸传感器，系统再次判断驾驶者最近几次从看到警示灯或听到音乐后到触摸开关动作完成的时间间隔信息，粗略判断驾驶者的反应灵敏度，然后更据不同情况播放不同类型音乐。若认为最近司机反映敏捷则音响系统会自动播送节奏明快
8、的进行曲，让人精神更加振奋；当司机注意力严重不集中时，音响系统自动播激情音乐，从而引起司机的注意力。倘若驾驶者一直不触摸电容感应传感器，则系统会自动给汽车中央CPU系统发送信号，并作出相应处理，比如中央CPU会再次判断车体运动状态，进行减速等操作。此系统主要用到以下几种传感器1、 电容式传感器工作原理电容式传感器中的电容值以及电容变化值都非常小，这样微小的电容量还不能直接为目前的现实仪表所显示，也和难为记录仪所接受。这就必须借助于测量电路检测这一微小电容增量。并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。
9、经过大量资料证明，调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏性度，可以测量高至0.01m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送接收，以达遥控遥测的目的。者正好符合了智能化与自动检测的要求，因此选择调频电容传感器测量电路装入此测量系统。调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容发生变化时，振荡器的震荡频率就发生变化，经过放大就可以用仪器指示记录仪记录下来。调频式测量电路如下图所示。振荡器限幅放大器鉴频器电容变换器图1、调频式测量电路原理图其中震荡频率为。2、触摸传感器对于典型的电容式传感器，规定其覆盖层的厚度为3mm或更薄。随
10、着覆盖层厚度的增加，来传感手指的触摸将变得越来越困难。所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质。正是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。该系统中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间。该电容式传感系统的基本元件包括：一个可编程电流源、一个精密模拟比较器和一根用来按顺序传输一组电容式传感器信号的多路复用总线。在本文所讨论的系统中，一个弛张振荡器起着电容传感器的作用。该振荡器的简化电路示意图如下图所示。比较器的输出被送进脉冲宽度调制器(PW
11、M)的时钟输入电路，该PWM负责对一个时钟频率为24MHz的16位计数器进行门控。传感器上面的手指使电容增大，从而导致计数值增加。就是基于这一原理来检测到手指的存在。3、光电式车速传感器光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。 一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号(开关脉冲)。发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出
12、信号。四 整体系统设计防疲劳安全驾驶系统由电容感应传感器，微处理器和音乐系统等部分组成。其独特之处是：在方向盘左右两边个安装有一个电容式触摸传感器，用于接收或识别人的触摸动作，微处理器实时检测传感器信号，记录每次接收到信号的时间，实时判断上次信号已发生的时间间隔和分析次信号发生的时间信息，智能判断驾驶者的精神状态和注意力集中情况，然后根据判断结果命令音响系统播放不同类型的音乐。该系统工作时有两种工作模式可以供司机选择，第一种是定时提示，即每过一定的时间进行提示，时间间隔为正常人的注意力集中时间；第二种工作模式是智能化提示模式，在该模式运行时，系统会自动判定司机的注意力集中情况和车速大小智能选取
13、提示时间间隔。总的设计流程如下：规定时间内没有检测到信号检测触摸传感器信号判定司机注意力集中情况语音和指示灯提示智能选择并播放音乐检测到信号注意力低下有检测传感器信号语音和指示灯提示定时语音和指示灯提示（时间间隔15分钟，成人的注意力保持时间）智能定时语音和指示灯提示（时间间隔由系统根据驾驶者注意力成都智能判定）系统初始化实时与中央CPU通信系统自检是否进入工作状态判断工作模式防疲劳安全驾驶系统整体工作流程图设计1、信号检测 汽车传感器输出信号一般为电压、电阻、脉冲信号及开关量等，下面分别介绍这些信号的检测方法。 （1）电压信号 为了提高抗干扰能力和检测精度，先将电压信号经信号调理电路变换为0
14、5V的标准信号，再经V/F变换转换为脉冲量，经光耦隔离后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。VF转换器的应用电路如图2所示，其中，将有源时钟振荡器输出的3MHz脉冲信号经74HC393四分频后作为AD652的外部时钟源。（ 2） 电阻信号 电阻信号先经惠斯通电桥转换为05V的标准信号，再经VF变换转换为脉冲量，经光耦隔离，最后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。（3 ）脉冲信号 经光耦隔离后的脉冲信号直接通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。（4） 开关信号 开关量采集原理图如图3所示。当刹车和转向灯等工作状态发生改变时，其辅助接点将接通YX回路的+12
15、V电源，此时光耦导通，其输出状态发生改变，在单片机定时中断服务程序内通过IO口读取该状态即可，其动作分辨率可达lms。五 系统应用前景防疲劳安全驾驶系统迎合了消费者在使用汽车中所遇到的困难，这套系统在实际设计的时候能够达到性能稳定、操作简便、价格适中，会很受消费者欢迎，具有一定的商业价值，这样系统的市场潜力很大。但是我只是在学习了传感器这门课后进行了浅显的设想，将所学的知识进行了一定的整合，并与实际生活联系起来，让理论与实际相结合。真正是否能够设计并投入使用还需要一定的时间和更专业和精确的计算。六 参考文献 1 何金田, 张斌.传感器原理与应用课程设计指南.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 ,2009. 2 张洪润.传感器应用设计300例.北京:北京航空航天大学出版社 ,2008.3 付家才.传感器与检测技术原理及实践.北京:中国电力出版社, 2008.4 赵福堂.汽车电器与电子设备.北京:北京理工大学出版社 ,2009.5郁有文.常建.陈继红.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2008.11
