基于单片机的瞌睡感应报警系统

摘 要：系统用于监测司机的瞌睡程度并适时发出警报,使驾驶员时刻保持清醒，保证驾驶安全。系统根据眨眼时间与瞌睡程度的生理关系，利用光电手段对眨眼过程进行实时监测，监测结果交由微型单片机处理。当眨眼时间满足瞌睡条件时，单片机发出警报，驱除司机的瞌睡。经过测试,此设计可以对驾驶员的疲劳程度做出比较准确的判断和告警，在一定程度上预防相关事故的发生。

关键词：瞌睡感应报警；瞌睡程度；眨眼时间；AT89C2051单片机；1 450 nm红外光

中图分类号：TN709；TP368 文献标识码：B 文章编号：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

疲劳驾驶是造成交通事故的重要原因之一，给人类带来严重的经济财产损失和人员伤亡事故，因此针对汽车司机、火车司机、特殊岗位工作者及夜班工作人员的瞌睡报警研究，已受到社会各界的高度重视。目前类似研究主要集中在以下2方面：

通过监视人体的生物信息，如人体红外光谱，生物电等，获得驾驶员的瞌睡信息，此类方案判断比较准确性能稳定可靠，但存在系统复杂、成本太高、使用不便的缺陷；

通过监视驾驶员的动作判断驾驶员的瞌睡程度，例如:利用倾斜启动开关监控使用者的低头程度，当驾驶员打瞌睡把头低的太低时，倾斜启动开关启动，发出警报，此类设计简单，但误判率较高。

1 系统构成及基本原理

本设计是一款简单、小巧、可靠、实用的瞌睡感应报警系统，可方便的安装在眼镜上。驾驶员在困倦时会在运动方式和生物信息方式上表现出一系列征兆，其中最显著的就是眨眼频率和眨眼时间的明显变化。据统计，正常情况下一个人每分钟要眨眼十余次，每次眨眼用0.3~0.4 s，每两次眨眼之间相隔约2.8~4 s。在困倦瞌睡的情况下，眨眼频率会有所上升，而眨眼时间会延长到1 s，这便是所谓的微睡眠状态。在这种状态下工作，事故发生率大大提高。

本设计基于眨眼时间与瞌睡程度的生理关系，利用光电手段对眼睛开闭状态实时监测，监测结果交由单片机处理。单片机根据监测结果得出眨眼时间，并对眨眼时间进行判断，当眨眼时间满足瞌睡条件时，单片机及时发出警报，达到驱除瞌睡的目的。系统由监测装置、判断控制装置、报警装置3部分构成。

2 硬件实现方案

2.1 监测装置

光电检测部分 由红外LED和硅光电池组成探测系统，通过眼睑挡光的方式对眼睑的活动进行实时监测。由于1 450 nm的红外光对人眼几乎不造成伤害，所以本系统采用峰值波长为1 450 nm的红外光LED。综合考虑响应峰值波长、量子效率、响应时间、噪声等因素系统选用2CR21硅光电池作为光电探测装置。眼睛闭合时，红外光被眼睑挡住，硅光电池无光照，硅光电池输出电压为低。眼睛睁开时，红外光通过眼球前部到达硅光电池，引起光伏效应，硅光电池输出电压为高。

信号放大与调整 由于硅光电池在有、无光照情况下输出的电压值差别不大，无法满足单片机的检测条件，因此在信号接入单片机前要经过电路放大和调整。电路采用分立元件三极管对信号进行放大和调整：二极管D1为硅光电池提供0.7 V左右的偏置；三极管Q2对硅光电池输出信号进行放大；三极管Q1对放大后的信号做反相处理，便于单片机检测。Q1，Q2输出的信号分别接单片机中断Int1，Int0口。如图1所示。

2.2 判断控制部分

本设计采用AT89C2051单片机作为判断和控制核心。单片机通过中断响应眼睛的开、闭动作（为了方便装配调试，可以在电路中增加1个红色LED指示灯：单片机响应眼睛睁开动作后，LED熄灭；单片机响应眼睛闭合动作后，LED点亮），通过软件对眼睛闭合的时间计时，并与瞌睡程度所对应的标准闭眼时间进行比较，得出使用者瞌睡与否和瞌睡程度的结论，并依据不同瞌睡程度给以不同报警铃声。从而实现对使用者瞌睡程度的监控与报警。由于AT89C2051单片机驱动能力较强，指示LED和报警蜂鸣器可直接由单片机I/O 口驱动。

2.3 电源部分

电源采用2块电压为3 V的CR2032钮扣电池。由于单片机工作电压在5 V±0.5 V范围内，因此在电源上串联1个二极管D2，使加在单片机上的电压在5 V±0.5 V范围内。完整的硬件电路如图1所示。

2.4 系统外观

本系统以普通眼镜架为骨架，在镜框内放置由红外LED和硅光电池组成的光电探测系统，在眼镜侧面放置LED指示灯；在眼镜腿靠近耳朵的地方安置蜂鸣器。通过导线将光电探测系统和蜂鸣器与单片机控制系统相连，控制系统可直接固定在眼镜上。

3 软件实现方案

软件程序完成对眨眼时间的计时、眨眼时间的分析和控制发出报警信号的任务。

中断程序完成对眨眼信号的响应、对眨眼一次时间的计时和控制指示灯；计时/计数程序为其他程序提供时间标准；报警程序控制蜂鸣器动作，并能根据不同瞌睡程度给以不同程度的报警声音。主程序对采集到的闭眼时间进行分析判断，得出使用者瞌睡程度的信息，并适时开启不同程度的报警。主程序流程图如图2所示。

可以对系统进行适当改进，使其功能更加完善。让用户自行设定报警条件，对眨眼次数过少的情况同样发出警报，防止由于眨眼次数过少而患干眼症，此功能尤其适用于长期使用电脑的人群；引入存储单元记录用户的瞌睡程度与瞌睡时间信息，建立用户个人档案，以方便责任事故的调查。经过实际测试，本系统运行稳定、可靠，能够较好地实现瞌睡程度的检测和报警，能够在一定程度上预防相关事故的发生,并且本系统具有设计简单、操作方便的特点，推广应用前景比较广阔。

参 考 文 献

［1］周玉，俞梦孙.用红外图像实时跟踪和监测眼睛的方法[J].北京生物医学工程,2003,22(2):104-108.

［2］王磊,吴晓娟,巴本冬,等.一种基于视觉的PERCLOS特征提取方法[J].计算机工程与科学,2006,28(6):52-54.

［3］颜松，魏建勤，吴永红.汽车驾驶员瞌睡状态脑电波特征提取的研究[J].中国生物医学工程学报,2005,24（1）：110-113.

［4］朱敏慧.明日汽车科技(五)[J].汽车与配件,2002(20):28-29.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。