基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能車載安全系統(tǒng)

畢克偉，孟祥佳

（山東青年政治學(xué)院 信息工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103）

0 引 言

有數(shù)據(jù)顯示，截至2019年6月，我國機(jī)動(dòng)車保有量[1]達(dá)3.4億輛、汽車2.5億輛已達(dá)3.4億輛。伴隨著人均汽車保有量的增加，人們?cè)谙碛闷噹淼谋憬莸耐瑫r(shí)安全問題也不容忽視。

夜間行車時(shí)，人們常對(duì)夜間遠(yuǎn)光燈使用不當(dāng)?shù)能囕v不勝其煩，智能遠(yuǎn)光燈應(yīng)對(duì)系統(tǒng)可對(duì)過度強(qiáng)光做出反應(yīng)，自動(dòng)翻轉(zhuǎn)汽車護(hù)目遮陽板，以減弱強(qiáng)光對(duì)駕駛者的駕駛干擾。炎炎夏日，不少司機(jī)朋友常常會(huì)在車內(nèi)開空調(diào)睡覺，但是由汽車的密封性以及開空調(diào)過程中產(chǎn)生的一氧化碳造成車內(nèi)人員窒息甚至死亡的新聞屢見不鮮。該CO預(yù)防系統(tǒng)會(huì)隨汽車內(nèi)空調(diào)裝置開啟，時(shí)刻檢測車內(nèi)CO濃度值，在將達(dá)到人體所承受最大度CO濃度達(dá)292.5 mg/m3（235 ppm）時(shí)[2]，進(jìn)行報(bào)警提醒車內(nèi)人員，對(duì)車內(nèi)進(jìn)行馬達(dá)自動(dòng)換氣操作。家長遺留在車內(nèi)的孩子問題早已成為社會(huì)熱點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)可造成不必要的過失甚至死亡。當(dāng)汽車熄火四門緊閉時(shí)，車內(nèi)人員遺留檢測系統(tǒng)開啟，通過紅外傳感器感應(yīng)達(dá)到監(jiān)測車內(nèi)是否有人員遺留，若有則通過GSM通信模塊發(fā)送位置短信至車主，進(jìn)而采取營救措施。行車途中，難免遇到想不到的意外情況，這時(shí)可通過該系統(tǒng)的SOS一鍵求救功能發(fā)送短信至緊急聯(lián)系人進(jìn)行求救。

綜上所述智能車載安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合市場安全需求，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和市場前景。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 智能遠(yuǎn)光燈應(yīng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能要求，智能遠(yuǎn)光燈應(yīng)對(duì)系統(tǒng)由單片機(jī)、光敏電阻傳感器模塊和步進(jìn)電機(jī)電路構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能遠(yuǎn)光燈應(yīng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.2 CO預(yù)防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能要求，CO預(yù)防系統(tǒng)由單片機(jī)、CO傳感器模塊、馬達(dá)自動(dòng)換氣裝置電路和蜂鳴器警報(bào)提示電路構(gòu)成，如圖2所示。

1.1.3 車內(nèi)人員遺留檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能要求，車內(nèi)人員遺留檢測系統(tǒng)由單片機(jī)、紅外線感應(yīng)模塊和GSM通信模塊構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 CO預(yù)防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 車內(nèi)人員遺留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.4 SOS一鍵求救

根據(jù)功能要求，SOS一鍵呼救系統(tǒng)由單片機(jī)、GPS定位模塊和GSM通信模塊構(gòu)成SOS一鍵呼救系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SOS一鍵求救系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 工作原理

本系統(tǒng)選用STC89C51單片機(jī)作為控制核心。STC89C51芯片內(nèi)含有FLASH程序儲(chǔ)存器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模塊，其完全兼容普通的51單片機(jī)，還做了很多改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程FLASH，使STC89C51 成為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)的控制中樞[3]。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖5所示。各個(gè)引腳分別連接溫度傳感器、紅外監(jiān)測傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和按鍵電路和GSM通信電路。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.1 智能遠(yuǎn)光燈應(yīng)對(duì)系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)通過感光元件控制12 V/5 A步進(jìn)電機(jī)（圖6為步進(jìn)電機(jī)模塊圖）來回轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到控制翻轉(zhuǎn)汽車護(hù)目遮陽板的目的。光敏電阻傳感器是一種特殊的電阻，簡稱光電阻，又名光導(dǎo)管，它利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測器。它的電阻值和光線的強(qiáng)弱有直接關(guān)系，光強(qiáng)度增加，則電阻減??；光強(qiáng)度減小，則電阻增大。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降[4]。光敏電阻附有機(jī)械調(diào)動(dòng)螺旋裝置可預(yù)先設(shè)定閾值LX0，當(dāng)光照強(qiáng)度一旦超過設(shè)置的閾值LX0，其阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大，達(dá)到導(dǎo)通狀態(tài)。利用該光照強(qiáng)度感應(yīng)元件，控制中樞（單片機(jī)芯片）發(fā)送高電平信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)汽車護(hù)目遮陽板下降；此時(shí)若光照強(qiáng)度小于設(shè)定閾值LX0，控制中樞發(fā)送低電平信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)，反轉(zhuǎn)帶動(dòng)汽車護(hù)目遮陽板上升。

圖6 步進(jìn)電機(jī)模塊

步進(jìn)電機(jī)收到單片機(jī)傳遞的電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，其位移量或線位移量與脈沖成正比，每給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（步距角）或前進(jìn)/倒退一步[5]。此系統(tǒng)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)來回只接收2個(gè)脈沖：

（1）光照強(qiáng)度大于設(shè)定閾值；

（2）光照強(qiáng)度小于設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)操作。

2.2 一氧化碳檢測系統(tǒng)原理

半導(dǎo)體CO氣體傳感器的基本材料時(shí)氧化物半導(dǎo)體，使氣體吸附于半導(dǎo)體表面，利用由此產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化以此來判斷CO氣體濃度大小[6]。該裝置附有機(jī)械調(diào)動(dòng)裝置，可手動(dòng)設(shè)置閾值c1。當(dāng)CO濃度大于設(shè)定閾值c1時(shí)，CO傳感器產(chǎn)生電信號(hào)傳遞給中樞系統(tǒng)（單片機(jī)），再由單片機(jī)傳遞信號(hào)至蜂鳴器（圖7為蜂鳴器報(bào)警電路）與馬達(dá)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行警報(bào)與換氣進(jìn)程。

圖7 蜂鳴器報(bào)警電路

2.3 智能人員遺留檢測系統(tǒng)原理

2.3.1 紅外傳感器檢測模塊

該模塊是系統(tǒng)的監(jiān)測單元，在紅外光照射條件下，原件的溫度發(fā)生變化從而使表面極化，電荷失去平衡，將引起電荷變化而以電壓或電流形式輸出至傳輸中樞（單片機(jī)）[7]，由傳輸中樞將將電信號(hào)傳遞至GSM通信模塊。該模塊包含RF天線與接受模塊，可實(shí)現(xiàn)車內(nèi)人員遺留短信的發(fā)送至監(jiān)護(hù)人。監(jiān)護(hù)人收到的手機(jī)短信如圖8所示。

2.3.2 GPS定位模塊

GPS定位主要實(shí)現(xiàn)遺留人員的準(zhǔn)確位置，便于監(jiān)護(hù)人方便找到遺留人員。該系統(tǒng)采用AIR208模塊，兼容SIM900A指令、省電、可滿足短信發(fā)送需求，GPS通信模塊如圖9所示。GSM模塊與單片機(jī)之間的通信采用UART串行口通信，單片機(jī)可直接控制GSM模塊。

圖8 監(jiān)護(hù)人收到的手機(jī)短信

圖9 GPS通信模塊

2.4 單片機(jī)SOS一鍵求救系統(tǒng)

該系統(tǒng)由按鍵模塊機(jī)械產(chǎn)生信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將電信號(hào)，傳遞至GPS模塊，GPS模塊采集位置信息，將產(chǎn)生的位置信息由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞至GSM通信模塊，通信模塊將傳來的位置信息發(fā)送至設(shè)定預(yù)留手機(jī)號(hào)碼，進(jìn)行求救[8]。預(yù)留手機(jī)接收到救助短信及位置信息如圖10所示。

圖10 預(yù)留手機(jī)接收到救助短信及位置信息

3 功能測試及結(jié)果分析

通過對(duì)各模塊與各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)，各系統(tǒng)均能達(dá)到設(shè)計(jì)目的，并且能夠流暢運(yùn)行遵循設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為控制中樞展開，子系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作，各司其職。智能車載安全系統(tǒng)經(jīng)過測試可實(shí)現(xiàn)如下功能。

（1）若遠(yuǎn)光的亮度值[9]大于106 cd/m2，智能遠(yuǎn)光燈應(yīng)對(duì)系統(tǒng)正常啟動(dòng)，自動(dòng)翻下汽車護(hù)目遮陽板，若光照強(qiáng)度小于該值，自動(dòng)翻上汽車護(hù)目遮陽板。

（2）當(dāng)車內(nèi)開空調(diào)且四門閉合時(shí)，CO檢測系統(tǒng)開啟，若CO濃度高于292.5 mg/m3（235 ppm）時(shí)，CO警報(bào)器正常報(bào)警，并進(jìn)行排氣設(shè)施的運(yùn)作。

（3）當(dāng)汽車熄火且車門閉合時(shí)，車內(nèi)人員遺留監(jiān)測系統(tǒng)開啟，即刻監(jiān)測車內(nèi)人員是否遺留，若存在人員遺留，該系統(tǒng)將遺留信息和位置信息發(fā)送至車主手機(jī)。

（4）通過按鍵模塊，可實(shí)現(xiàn)SOS一鍵呼救功能，將求救以及位置信息以短信的形式發(fā)送至緊急聯(lián)系人求救。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能車載安全系統(tǒng)，包括智能遠(yuǎn)光燈應(yīng)對(duì)子系統(tǒng)、智能車內(nèi)人員遺留檢測子系統(tǒng)、CO預(yù)防子系統(tǒng)和SOS一鍵呼救子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，本文系統(tǒng)可對(duì)常見監(jiān)測指標(biāo)（CO濃度、紅外線、光敏強(qiáng)度傳感器）的進(jìn)行智能監(jiān)測，有效解決了駕乘人員的部分安全問題，尤其是當(dāng)車輛突發(fā)意外危險(xiǎn)情況時(shí)能為駕乘人員提供一定的幫助，其是針對(duì)駕乘人員打造的一款貼心的安全輔助保障產(chǎn)品。