基于單片機的車內(nèi)高溫預警系統(tǒng)設計

巴興強 馬越 王曉輝

摘 要： 利用單片機控制技術，結(jié)合紅外探測、溫度感應、無線通信等技術，設計車內(nèi)高溫人體預警系統(tǒng)，以防止兒童及老人長時間滯留車內(nèi)，在高溫情況下發(fā)生意外。工作原理為：在車輛熄火，車門關閉后，系統(tǒng)啟動；當紅外探測系統(tǒng)感應到車上有人存在時，單片機控制溫度感應器啟動，通過溫度檢測器實時監(jiān)控車內(nèi)溫度；當溫度高于預設溫度時，單片機會產(chǎn)生高電平，報警系統(tǒng)啟動。同時，利用無線通信向車主發(fā)送報警信息，從而達到避免因車內(nèi)高溫給滯留人員帶來人身及財產(chǎn)傷害，防止事故發(fā)生。

關鍵詞： 單片機； 紅外感應； 溫度檢測器； 無線通信； 高溫預警； 汽車安全

中圖分類號： TN02?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0149?04

Abstract： The technologies of single chip microcomputer control， infrared detection， temperature sensing and wireless communication are used to design the in?car high temperature warning system to prevent the children and elderly person staying in the car from accident at high temperature. The working principle is that， if the engine is stalled and the door is closed， this system starts； if the infrared detection system senses the presence of people in the car， the single chip microcomputer controls the starting of temperature sensor， and monitors the in?car temperature in real time by means of the temperature detector； if the in?car temperature is higher than preset value， the single chip microcomputer will send a high voltage level to start the alarm system， at the same time， the system will send the alarm information by means of wireless communication to the car owner to avoid the personal injury and property damage causing by the high temperature in the car， and prevent other accidents.

Keywords： single chip microcomputer； infrared induction； temperature detector； wireless communication； high temperature warning； automobile safety

0 引 言

近年來，我國連續(xù)發(fā)生的多起兒童被遺忘在車內(nèi)而導致兒童窒息死亡或患熱射病的現(xiàn)象，引起了社會的高度重視。研究表明，當汽車處于35 ℃的高溫環(huán)境時，在車體密閉的情況下，陽光直射15 min后封閉車廂內(nèi)的溫度即可達到65 ℃。而根據(jù)現(xiàn)有醫(yī)學研究，當密閉環(huán)境的溫度高于38 ℃時，人體就會出現(xiàn)不適，當溫度達到40 ℃時，會出現(xiàn)頭暈眼花、站立不穩(wěn)等現(xiàn)象。人體長時間處在密閉高溫的環(huán)境下，生命健康會受到嚴重損害。在炎熱的夏季，室外氣溫很容易達到40 ℃，而我國的地下停車系統(tǒng)遠遠不能滿足汽車的停車需求，大多數(shù)車輛是在室外停放，在這樣的環(huán)境下，車內(nèi)溫度很容易達到50 ℃，甚至更高，這一嚴峻的現(xiàn)實問題，給汽車用戶帶來嚴重隱患。

本文基于單片機的車內(nèi)高溫預警系統(tǒng)，正是針對目前的這種需求設計出來的。利用紅外探測模塊、溫度檢測模塊、單片機和無線信息傳輸模塊技術[1?4]，實現(xiàn)當車主離車之后對車內(nèi)是否有滯留人員和溫度進行監(jiān)測，達到預警的作用，從而減少潛在悲劇的發(fā)生。

1 系統(tǒng)設計

本設計共分為四個模塊，由單片機控制中心、紅外探測模塊、溫度感應模塊、短信警示模塊組成。設計理念是單片機作為主控單元，對整個系統(tǒng)進行控制，通過控制程序，將各個子模塊連接起來，最終達到提供高溫預警信息的目的，詳細設計如圖1所示。

響應流程為：當車輛停靠熄火，駕駛員離開車輛并將車門關閉時，觸發(fā)單片機控制系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)開始工作運行。通過單片機，首先打開熱紅外人體探測儀，對車內(nèi)進行監(jiān)測，若檢測到車內(nèi)無人員滯留，系統(tǒng)關閉，進入休眠模式，減少能量損耗；若檢測到車內(nèi)有滯留人員，則返回信號給單片機，再由主控單元打開溫度檢測傳感器，車內(nèi)溫度檢測器開始工作，并實時監(jiān)測車內(nèi)溫度。當車內(nèi)溫度達到預設值（一般設置為與人體溫度相近的37 ℃）時，報警器啟動預警，并通過單片機操縱無線通信網(wǎng)絡向預設的人員手機等顯示終端發(fā)送預警信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機

選用STC89C52單片機作為主控系統(tǒng)中心，設計最小系統(tǒng)，包括40條引腳，分I/O端口、控制和電源三類引腳。其中，4個8位I/O口，共32條引腳，用于傳輸數(shù)據(jù)、地址、控制和狀態(tài)等信息。電源線2條，控制線共6條，用于傳送控制信號，時鐘電路引腳在18（XTAL1）和19（XTAL2）之間。復位電路由9（RST）引出[1?2]，如圖2所示。

2.2 熱釋電紅外探測儀

熱釋電紅外探測儀的主要功能是感知人體所產(chǎn)生的紅外輻射[3]，其內(nèi)部設有兩個串聯(lián)或并聯(lián)的感應元件，當汽車內(nèi)部的背景輻射產(chǎn)生作用時，感應元件不產(chǎn)生輸出信號；當有人體在探測范圍內(nèi)出現(xiàn)時，紅外輻射作用于單個元件上，熱釋電敏感元形成溫度差[ΔT]，促使晶體內(nèi)部電荷進行運動，從而在電極表面形成電壓差[ΔU]，通過信號放大電路作用后產(chǎn)生輸出信號[4]。為有效消除干擾輻射，在其外部設置濾光片部件，將大于12 μm和小于9 μm的紅外波長阻擋在外，僅讓人體發(fā)出的10 μm左右紅外線波長通過并作用于感應元，提高探測結(jié)果的準確度和信任度，減少誤報、漏報。在電路中增加低噪放大器，經(jīng)由放大器對其進行增益補償，避免在車內(nèi)溫度與人體溫度相似的偶然情況下，錯誤觸發(fā)傳感器，提高靈敏度[5]。

2.3 溫度檢測模塊

該設計采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器[6?7]。與熱敏電阻型傳感器相比較，數(shù)字式測量系統(tǒng)更加簡便，測溫精度高，尤其是它可以將汽車內(nèi)的溫度測量值轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號，并提供給單片機進行處理，經(jīng)過編程達到溫度讀數(shù)的目的。而且DS18B20可以直接從單線通信線上得到電源供給，省去了外部電源的需求，從而簡化接線步驟。該系統(tǒng)主要包括一部溫度傳感器、64 B閃速ROM，RAM，TH和TL觸發(fā)器等，其功能特性為：

1） 測量范圍為-55～125 ℃ ，分辨率為0.5 ℃；

2） 單線接口，只需1個接口就可完成溫度轉(zhuǎn)換的讀寫時間片的操作；

3） 9位數(shù)字方式讀溫度，典型轉(zhuǎn)換時間為1 s；

4） 用戶可定義非易失性溫度告警設置；

5） 典型的供電方式為3線制，亦可采用寄生電源供電的2線制。

根據(jù)本傳感器的特性，采用寄生電源的方式與單片機進行連接，其連接電路圖如圖3所示。

2.4 無線通信網(wǎng)絡

通信芯片使用雙頻GSM/GPRS模塊的SIM900A經(jīng)典芯片，由于單片機與該芯片的工作電壓不同，對后者進行單獨供電。組建單片機與該芯片的開發(fā)平臺，對系統(tǒng)時鐘、中斷、串口進行配置，保證模塊可以高效準確運行[8?9]。在本文設計中，利用內(nèi)嵌GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸單元，將單片機串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，再通過無線通信的高速傳輸通道進行傳輸。其內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧，只要用戶手機處于開機狀態(tài)，GPRS附著在移動網(wǎng)絡上并保持聯(lián)系，遇到發(fā)送請求時，單片機產(chǎn)生AT指令控制內(nèi)置芯片，通過預設儲存在buf的電話號碼，向用戶發(fā)送短消息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能[10]。通信芯片設計電路如圖4所示。

3 軟件設計

軟件設計流程如圖5所示。首先，車載單片機系統(tǒng)初始化操作，無線通信模塊轉(zhuǎn)為文本模式收發(fā)短信代碼。當無紅外傳感器觸發(fā)時，等待熱釋電紅外傳感器信號；在單片機識別到傳感器信號后，啟動溫度傳感器，并等待溫度傳感器釋放信號；當單片機接收到溫度傳感器的異常信號后，通過無線通信模塊，對應向手機發(fā)送指令，寫入移動通信內(nèi)置單元，以短信形式傳輸至用戶終端。用戶收到信息后，可進行相應的處理，實現(xiàn)相應的操作。總體軟件設計如下：

4 結(jié)果分析

將汽車露天放置于太陽下，然后熄火關閉車門，系統(tǒng)啟動運行，車內(nèi)無人的情況下，系統(tǒng)進行初始檢測后關閉；安排人員坐在車內(nèi)，同樣熄火關閉車門，系統(tǒng)重新啟動運行。為安全起見，將報警溫度預設值設為37 ℃，在暴曬40 min后，車內(nèi)溫度上升并超過預設值后，系統(tǒng)成功向預留的電話號碼發(fā)送SOS信息。此時重新將車門打開，系統(tǒng)關閉。

5 結(jié) 語

基于單片機的車內(nèi)高溫預警系統(tǒng)設計是對汽車功能的一種完善，對于提高汽車安全性和減少汽車使用者損失方面具有重大意義。該系統(tǒng)利用單片機進行控制，方便準確，且成本低廉，增加的無線通信模塊實現(xiàn)了對遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測和為用戶提供重要信息的目標，減少高溫情況下兒童及老人車內(nèi)窒息或受熱輻射損傷事故的發(fā)生，因此具有極大的現(xiàn)實意義和推廣價值。

參考文獻

[1] 胡長勝.單片機實用技術教程[M].北京：北京師范大學出版社，2006.

HU Changsheng. Tutorial of practical technology of microcontroller [M]. Beijing： Beijing Normal University Press， 2006.

[2] 周鵬.基于STC89C52單片機的溫度檢測系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（22）：10?13.

ZHOU Peng. Design of temperature detection system based on STC89C52 microcontroller [J]. Modern electronics technique， 2012， 35（22）： 10?13.

[3] 王孟祿，張鐳.熱釋電紅外探測實驗裝置的設計與應用[J].實驗科學與技術，2017，15（1）：29?32.

WANG Menglu， ZHANG Lei. The design and application of pyroelectric infrared detection experimental device [J]. Experiment science and technology， 2017， 15（1）： 29?32.

[4] 趙巧妮.基于單片機熱釋電紅外安防報警器的設計[J].科技廣場，2016（2）：71?73.

ZHAO Qiaoni. Design of pyroelectric infrared security alarm based on SCM [J]. Science mosaic， 2016（2）： 71?73.

[5] 房漢雄，王艷春.基于51系列單片機的被動式熱釋電型紅外防盜報警器的設計[J].齊齊哈爾大學學報，2008（1）：41?43.

FANG Hanxiong， WANG Yanchun. Design of passive pyroelectric infrared burglar alarm based on 51 series microcontrollers [J]. Journal of Qiqihar University， 2008（1）： 41?43.

[6] 蘇麟祥.DS1820數(shù)字溫度傳感器的功能特性及其設計[J].世界采礦快報，2000（9）：329?330.

SU Linxiang. Functional characteristics and design of DS1820 digital temperature sensor [J]. World mining bulletin， 2000（9）： 329?330.

[7] 王淑晶.基于單片機的智能溫度預警系統(tǒng)的設計[J].電子世界，2013（21）：37?38.

WANG Shujing. Intelligent temperature warning system based on single?chip microcomputer design [J]. Electronic world， 2013（21）： 37?38.

[8] 霍濤，賈振堂.基于 STM32 和 SIM900A 的無線通信模塊設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程，2014，22（17）：106?110.

HUO Tao， JIA Zhentang. Design and implementation of wireless communication module based on STM32 and SIM900A [J]. Electronic design engineering， 2014， 22（17）： 106?110.

[9] 傅中君.嵌入式GPRS無線通信模塊的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應用，2004（14）：162?165.

FU Zhongjun. Design and implementation of embedded GPRS wireless communication module [J]. Computer engineering and applications， 2004（14）： 162?165.

[10] 胡紀平，梁釗.基于單片機和GSM模塊的紅外探測遠程報警系統(tǒng)[J].電子測試，2012（11）：48?51.

HU Jiping， LIANG Zhao. Infrared detection remote alarm system based on single?chip microcomputer and GSM module [J]. Electronic test， 2012（11）： 48?51.