基于单片机的疲劳驾驶预警系统

第一章 系统设计背景与总体架构

随着道路交通流量增加，疲劳驾驶已成为引发交通事故的重要原因之一。据交通部门统计，约30%的公路交通事故与驾驶员疲劳状态相关，因此开发低成本、高可靠性的疲劳驾驶预警系统具有重要现实意义。基于单片机的预警系统以其体积小、功耗低、性价比高的特点，成为车载安全设备的理想选择。

系统总体架构分为三大模块：感知模块、处理模块和预警模块。感知模块负责采集驾驶员生理与行为数据，主要包括面部图像传感器和生理信号传感器，可实时捕捉驾驶员眼睛闭合状态、头部姿态及心率等信息；处理模块以单片机为核心，选用常用的STM32F103系列单片机，该芯片具备丰富的外设接口和数据处理能力，能快速对感知模块采集的信息进行分析；预警模块则根据处理结果触发提醒，采用蜂鸣器、LED指示灯及语音模块组合，确保驾驶员能及时感知预警信号。三者通过硬件接口与软件协议联动，形成完整的预警闭环，满足车载环境下的实时性与稳定性要求。

第二章 核心硬件选型与电路设计

硬件选型需兼顾性能与车载环境适应性，核心器件选择围绕“低功耗、高稳定性、小型化”原则展开。单片机选用STM32F103C8T6，该芯片基于ARM Cortex-M3内核，工作频率可达72MHz，拥有多个I2C、SPI接口，能同时连接多类传感器，且功耗仅为几十微安，适配车载12V电源系统。

感知模块中，面部图像采集选用OV7670摄像头模块，其支持VGA分辨率图像输出，帧率可达30fps，能清晰捕捉眼部细节，且工作电压为3.3V，可直接与单片机供电匹配；生理信号采集采用MAX30102心率血氧模块，通过光学原理检测心率变化，模块体积仅8mm×8mm，便于嵌入方向盘或座椅靠背，数据通过I2C接口传输至单片机。预警模块选用有源蜂鸣器（工作电压5V）和高亮LED指示灯，同时预留语音模块接口，可扩展“请注意疲劳驾驶”等语音提醒功能。

电路设计方面，电源模块采用LM1117-3.3V稳压芯片，将车载12V电压转换为3.3V和5V，分别为单片机、传感器及预警器件供电；传感器与单片机的连接采用隔离电路设计，通过添加0.1μF滤波电容减少车载电路干扰；预警模块设置独立控制引脚，由单片机GPIO口直接驱动，确保预警信号触发及时、无延迟。

第三章 系统软件逻辑与功能实现

系统软件采用模块化设计，主要包括数据采集、数据处理、预警判断三大功能模块，基于Keil MDK开发环境编写，编程语言为C语言，兼顾代码可读性与执行效率。

数据采集模块通过单片机定时器触发，按固定周期读取传感器数据：OV7670摄像头每0.5秒采集一帧面部图像，数据经DMA通道传输至单片机缓存，避免占用CPU资源；MAX30102心率模块每秒采集一次心率数据，通过I2C协议将数据写入单片机寄存器。数据处理模块对图像数据进行灰度化、边缘检测处理，重点识别眼部区域，计算眼睛闭合时长与频率；同时分析心率数据，判断是否出现心率异常波动（如心率低于60次/分或高于100次/分），作为疲劳状态的辅助判断依据。

预警判断模块预设疲劳阈值：当眼睛闭合时长超过2秒、头部倾斜角度大于15°且持续3秒，或心率异常持续5秒时，单片机触发预警信号——蜂鸣器发出间歇性鸣叫，LED指示灯高频闪烁，若扩展语音模块则同步播放提醒语音。软件还加入功耗优化逻辑，当车辆停止行驶10分钟后，系统自动进入休眠模式，降低能耗。

第四章 系统测试与应用展望

为验证系统性能，分别开展实验室模拟测试与车载实地测试。实验室测试搭建模拟驾驶台，模拟驾驶员正常驾驶、闭眼、低头等状态，测试结果显示：系统对眼睛闭合状态的识别准确率达92%，预警响应时间控制在0.8秒以内，无明显误报；心率数据采集误差小于3次/分，满足疲劳判断辅助需求。

车载实地测试选择郊区与城市道路，测试环境涵盖晴天、阴天及轻微颠簸路况。结果表明，在光线变化（如隧道进出）场景下，OV7670摄像头仍能稳定采集图像，无识别失效情况；车辆颠簸时，生理信号传感器数据传输稳定，预警模块未出现误触发。整体测试证明系统能适应复杂车载环境，具备实际应用价值。

未来应用可从三方面优化：一是引入AI图像识别算法，提升面部特征识别精度，减少光线、表情对判断的干扰；二是增加方向盘压力传感器、踏板操作频率检测，形成多维度疲劳判断依据；三是降低硬件成本，将系统集成至车载信息娱乐系统，推广至中低端车型，进一步扩大应用范围，为道路交通安全提供技术支撑。

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