基于單片機(jī)的瞌睡感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)

摘 要：系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)司機(jī)的瞌睡程度并適時(shí)發(fā)出警報(bào)，使駕駛員時(shí)刻保持清醒，保證駕駛安全。系統(tǒng)根據(jù)眨眼時(shí)間與瞌睡程度的生理關(guān)系，利用光電手段對(duì)眨眼過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果交由微型單片機(jī)處理。當(dāng)眨眼時(shí)間滿足瞌睡條件時(shí)，單片機(jī)發(fā)出警報(bào)，驅(qū)除司機(jī)的瞌睡。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此設(shè)計(jì)可以對(duì)駕駛員的疲勞程度做出比較準(zhǔn)確的判斷和告警，在一定程度上預(yù)防相關(guān)事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：瞌睡感應(yīng)報(bào)警；瞌睡程度；眨眼時(shí)間；AT89C2051單片機(jī)；1 450 nm紅外光

中圖分類號(hào)：TN709；TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-373X(2008)02-183-02

Drowsiness Monitoring and Alarming System Based on Single Chip

HAN Kai，ZHAO Lishuang

(College of Opto-Electronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China)

Abstract：The system is used to keep driver awake and avoid accident.The system monitors the process of winking by electro-optics technology.The result is processed by the single chip，according to the physiological relation between wink-time and nap degree.If the user is drowsy，the system sounds the alarm to dispel drowsiness.Through test，it works well and avoid accident effectively.

Keywords：drowsiness monitoring and alarming;drowsiness degree;wink time;AT89C2051-single chip;1450nm infrared

疲勞駕駛是造成交通事故的重要原因之一，給人類帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡事故，因此針對(duì)汽車司機(jī)、火車司機(jī)、特殊崗位工作者及夜班工作人員的瞌睡報(bào)警研究，已受到社會(huì)各界的高度重視。目前類似研究主要集中在以下2方面：

通過(guò)監(jiān)視人體的生物信息，如人體紅外光譜，生物電等，獲得駕駛員的瞌睡信息，此類方案判斷比較準(zhǔn)確性能穩(wěn)定可靠，但存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本太高、使用不便的缺陷；

通過(guò)監(jiān)視駕駛員的動(dòng)作判斷駕駛員的瞌睡程度，例如:利用傾斜啟動(dòng)開關(guān)監(jiān)控使用者的低頭程度，當(dāng)駕駛員打瞌睡把頭低的太低時(shí)，傾斜啟動(dòng)開關(guān)啟動(dòng)，發(fā)出警報(bào)，此類設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但誤判率較高。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及基本原理

本設(shè)計(jì)是一款簡(jiǎn)單、小巧、可靠、實(shí)用的瞌睡感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)，可方便的安裝在眼鏡上。駕駛員在困倦時(shí)會(huì)在運(yùn)動(dòng)方式和生物信息方式上表現(xiàn)出一系列征兆，其中最顯著的就是眨眼頻率和眨眼時(shí)間的明顯變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，正常情況下一個(gè)人每分鐘要眨眼十余次，每次眨眼用0.3~0.4 s，每?jī)纱握Ｑ壑g相隔約2.8~4 s。在困倦瞌睡的情況下，眨眼頻率會(huì)有所上升，而眨眼時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)到1 s，這便是所謂的微睡眠狀態(tài)。在這種狀態(tài)下工作，事故發(fā)生率大大提高。

本設(shè)計(jì)基于眨眼時(shí)間與瞌睡程度的生理關(guān)系，利用光電手段對(duì)眼睛開閉狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果交由單片機(jī)處理。單片機(jī)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出眨眼時(shí)間，并對(duì)眨眼時(shí)間進(jìn)行判斷，當(dāng)眨眼時(shí)間滿足瞌睡條件時(shí)，單片機(jī)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，達(dá)到驅(qū)除瞌睡的目的。系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)裝置、判斷控制裝置、報(bào)警裝置3部分構(gòu)成。

2 硬件實(shí)現(xiàn)方案

2.1 監(jiān)測(cè)裝置

光電檢測(cè)部分 由紅外LED和硅光電池組成探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)眼瞼擋光的方式對(duì)眼瞼的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于1 450 nm的紅外光對(duì)人眼幾乎不造成傷害，所以本系統(tǒng)采用峰值波長(zhǎng)為1 450 nm的紅外光LED。綜合考慮響應(yīng)峰值波長(zhǎng)、量子效率、響應(yīng)時(shí)間、噪聲等因素系統(tǒng)選用2CR21硅光電池作為光電探測(cè)裝置。眼睛閉合時(shí)，紅外光被眼瞼擋住，硅光電池?zé)o光照，硅光電池輸出電壓為低。眼睛睜開時(shí)，紅外光通過(guò)眼球前部到達(dá)硅光電池，引起光伏效應(yīng)，硅光電池輸出電壓為高。

信號(hào)放大與調(diào)整 由于硅光電池在有、無(wú)光照情況下輸出的電壓值差別不大，無(wú)法滿足單片機(jī)的檢測(cè)條件，因此在信號(hào)接入單片機(jī)前要經(jīng)過(guò)電路放大和調(diào)整。電路采用分立元件三極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)整：二極管D1為硅光電池提供0.7 V左右的偏置；三極管Q2對(duì)硅光電池輸出信號(hào)進(jìn)行放大；三極管Q1對(duì)放大后的信號(hào)做反相處理，便于單片機(jī)檢測(cè)。Q1，Q2輸出的信號(hào)分別接單片機(jī)中斷Int1，Int0口。如圖1所示。

2.2 判斷控制部分

本設(shè)計(jì)采用AT89C2051單片機(jī)作為判斷和控制核心。單片機(jī)通過(guò)中斷響應(yīng)眼睛的開、閉動(dòng)作（為了方便裝配調(diào)試，可以在電路中增加1個(gè)紅色LED指示燈：?jiǎn)纹瑱C(jī)響應(yīng)眼睛睜開動(dòng)作后，LED熄滅；單片機(jī)響應(yīng)眼睛閉合動(dòng)作后，LED點(diǎn)亮），通過(guò)軟件對(duì)眼睛閉合的時(shí)間計(jì)時(shí)，并與瞌睡程度所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)閉眼時(shí)間進(jìn)行比較，得出使用者瞌睡與否和瞌睡程度的結(jié)論，并依據(jù)不同瞌睡程度給以不同報(bào)警鈴聲。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者瞌睡程度的監(jiān)控與報(bào)警。由于AT89C2051單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，指示LED和報(bào)警蜂鳴器可直接由單片機(jī)I/O 口驅(qū)動(dòng)。

2.3 電源部分

電源采用2塊電壓為3 V的CR2032鈕扣電池。由于單片機(jī)工作電壓在5 V±0.5 V范圍內(nèi)，因此在電源上串聯(lián)1個(gè)二極管D2，使加在單片機(jī)上的電壓在5 V±0.5 V范圍內(nèi)。完整的硬件電路如圖1所示。

2.4 系統(tǒng)外觀

本系統(tǒng)以普通眼鏡架為骨架，在鏡框內(nèi)放置由紅外LED和硅光電池組成的光電探測(cè)系統(tǒng)，在眼鏡側(cè)面放置LED指示燈；在眼鏡腿靠近耳朵的地方安置蜂鳴器。通過(guò)導(dǎo)線將光電探測(cè)系統(tǒng)和蜂鳴器與單片機(jī)控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)可直接固定在眼鏡上。

3 軟件實(shí)現(xiàn)方案

軟件程序完成對(duì)眨眼時(shí)間的計(jì)時(shí)、眨眼時(shí)間的分析和控制發(fā)出報(bào)警信號(hào)的任務(wù)。

中斷程序完成對(duì)眨眼信號(hào)的響應(yīng)、對(duì)眨眼一次時(shí)間的計(jì)時(shí)和控制指示燈；計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)程序?yàn)槠渌绦蛱峁r(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；報(bào)警程序控制蜂鳴器動(dòng)作，并能根據(jù)不同瞌睡程度給以不同程度的報(bào)警聲音。主程序?qū)Σ杉降拈]眼時(shí)間進(jìn)行分析判斷，得出使用者瞌睡程度的信息，并適時(shí)開啟不同程度的報(bào)警。主程序流程圖如圖2所示。

可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，使其功能更加完善。讓用戶自行設(shè)定報(bào)警條件，對(duì)眨眼次數(shù)過(guò)少的情況同樣發(fā)出警報(bào)，防止由于眨眼次數(shù)過(guò)少而患干眼癥，此功能尤其適用于長(zhǎng)期使用電腦的人群；引入存儲(chǔ)單元記錄用戶的瞌睡程度與瞌睡時(shí)間信息，建立用戶個(gè)人檔案，以方便責(zé)任事故的調(diào)查。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠較好地實(shí)現(xiàn)瞌睡程度的檢測(cè)和報(bào)警，能夠在一定程度上預(yù)防相關(guān)事故的發(fā)生，并且本系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)，推廣應(yīng)用前景比較廣闊。 

參 考 文 獻(xiàn)

［1］周玉，俞夢(mèng)孫.用紅外圖像實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)測(cè)眼睛的方法[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2003，22(2):104-108.

［2］王磊，吳曉娟，巴本冬，等.一種基于視覺的PERCLOS特征提取方法[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2006，28(6):52-54.

［3］顏松，魏建勤，吳永紅.汽車駕駛員瞌睡狀態(tài)腦電波特征提取的研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2005，24（1）：110-113.

［4］朱敏慧.明日汽車科技(五)[J].汽車與配件，2002(20):28-29.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。