基于51單片機設計的智能車載安全系統

畢克偉，孟祥佳

（山東青年政治學院 信息工程學院，山東 濟南 250103）

0 引 言

有數據顯示，截至2019年6月，我國機動車保有量[1]達3.4億輛、汽車2.5億輛已達3.4億輛。伴隨著人均汽車保有量的增加，人們在享用汽車帶來的便捷的同時安全問題也不容忽視。

夜間行車時，人們常對夜間遠光燈使用不當的車輛不勝其煩，智能遠光燈應對系統可對過度強光做出反應，自動翻轉汽車護目遮陽板，以減弱強光對駕駛者的駕駛干擾。炎炎夏日，不少司機朋友常常會在車內開空調睡覺，但是由汽車的密封性以及開空調過程中產生的一氧化碳造成車內人員窒息甚至死亡的新聞屢見不鮮。該CO預防系統會隨汽車內空調裝置開啟，時刻檢測車內CO濃度值，在將達到人體所承受最大度CO濃度達292.5 mg/m3（235 ppm）時[2]，進行報警提醒車內人員，對車內進行馬達自動換氣操作。家長遺留在車內的孩子問題早已成為社會熱點，嚴重時可造成不必要的過失甚至死亡。當汽車熄火四門緊閉時，車內人員遺留檢測系統開啟，通過紅外傳感器感應達到監測車內是否有人員遺留，若有則通過GSM通信模塊發送位置短信至車主，進而采取營救措施。行車途中，難免遇到想不到的意外情況，這時可通過該系統的SOS一鍵求救功能發送短信至緊急聯系人進行求救。

綜上所述智能車載安全系統的設計符合市場安全需求，具有較強的實用價值和市場前景。

1 系統硬件電路設計

1.1 系統結構

1.1.1 智能遠光燈應對系統結構

根據功能要求，智能遠光燈應對系統由單片機、光敏電阻傳感器模塊和步進電機電路構成。系統結構如圖1所示。

圖1 智能遠光燈應對系統結構

1.1.2 CO預防系統結構

根據功能要求，CO預防系統由單片機、CO傳感器模塊、馬達自動換氣裝置電路和蜂鳴器警報提示電路構成，如圖2所示。

1.1.3 車內人員遺留檢測系統結構

根據功能要求，車內人員遺留檢測系統由單片機、紅外線感應模塊和GSM通信模塊構成，系統結構如圖3所示。

圖2 CO預防系統結構

圖3 車內人員遺留系統結構

1.1.4 SOS一鍵求救

根據功能要求，SOS一鍵呼救系統由單片機、GPS定位模塊和GSM通信模塊構成SOS一鍵呼救系統。該系統結構如圖4所示。

圖4 SOS一鍵求救系統結構

2 工作原理

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

圖5 單片機最小系統

2.1 智能遠光燈應對系統工作原理

該系統通過感光元件控制12 V/5 A步進電機（圖6為步進電機模塊圖）來回轉動，從而達到控制翻轉汽車護目遮陽板的目的。光敏電阻傳感器是一種特殊的電阻，簡稱光電阻，又名光導管，它利用半導體的光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導探測器。它的電阻值和光線的強弱有直接關系，光強度增加，則電阻減小；光強度減小，則電阻增大。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降[4]。光敏電阻附有機械調動螺旋裝置可預先設定閾值LX0，當光照強度一旦超過設置的閾值LX0，其阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大，達到導通狀態。利用該光照強度感應元件，控制中樞（單片機芯片）發送高電平信號至步進電機，步進電機正轉帶動汽車護目遮陽板下降；此時若光照強度小于設定閾值LX0，控制中樞發送低電平信號至步進電機，反轉帶動汽車護目遮陽板上升。

圖6 步進電機模塊

步進電機收到單片機傳遞的電脈沖轉換為相應的角位移或直線位移，其位移量或線位移量與脈沖成正比，每給一個脈沖，步進電機就轉動一個角度（步距角）或前進/倒退一步[5]。此系統內步進電機來回只接收2個脈沖：

（1）光照強度大于設定閾值；

（2）光照強度小于設定閾值，實現正反轉操作。

2.2 一氧化碳檢測系統原理

半導體CO氣體傳感器的基本材料時氧化物半導體，使氣體吸附于半導體表面，利用由此產生的電導率變化以此來判斷CO氣體濃度大小[6]。該裝置附有機械調動裝置，可手動設置閾值c1。當CO濃度大于設定閾值c1時，CO傳感器產生電信號傳遞給中樞系統（單片機），再由單片機傳遞信號至蜂鳴器（圖7為蜂鳴器報警電路）與馬達電動機，進行警報與換氣進程。

圖7 蜂鳴器報警電路

2.3 智能人員遺留檢測系統原理

2.3.1 紅外傳感器檢測模塊

該模塊是系統的監測單元，在紅外光照射條件下，原件的溫度發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）[7]，由傳輸中樞將將電信號傳遞至GSM通信模塊。該模塊包含RF天線與接受模塊，可實現車內人員遺留短信的發送至監護人。監護人收到的手機短信如圖8所示。

2.3.2 GPS定位模塊

GPS定位主要實現遺留人員的準確位置，便于監護人方便找到遺留人員。該系統采用AIR208模塊，兼容SIM900A指令、省電、可滿足短信發送需求，GPS通信模塊如圖9所示。GSM模塊與單片機之間的通信采用UART串行口通信，單片機可直接控制GSM模塊。

圖8 監護人收到的手機短信

圖9 GPS通信模塊

2.4 單片機SOS一鍵求救系統

該系統由按鍵模塊機械產生信號傳遞給單片機，單片機將電信號，傳遞至GPS模塊，GPS模塊采集位置信息，將產生的位置信息由電信號轉換為數字信號傳遞至GSM通信模塊，通信模塊將傳來的位置信息發送至設定預留手機號碼，進行求救[8]。預留手機接收到救助短信及位置信息如圖10所示。

圖10 預留手機接收到救助短信及位置信息

3 功能測試及結果分析

通過對各模塊與各系統之間的協調，各系統均能達到設計目的，并且能夠流暢運行遵循設計系統結構流程運行，整個系統以STC89C51單片機為控制中樞展開，子系統協調配合工作，各司其職。智能車載安全系統經過測試可實現如下功能。

（1）若遠光的亮度值[9]大于106 cd/m2，智能遠光燈應對系統正常啟動，自動翻下汽車護目遮陽板，若光照強度小于該值，自動翻上汽車護目遮陽板。

（2）當車內開空調且四門閉合時，CO檢測系統開啟，若CO濃度高于292.5 mg/m3（235 ppm）時，CO警報器正常報警，并進行排氣設施的運作。

（3）當汽車熄火且車門閉合時，車內人員遺留監測系統開啟，即刻監測車內人員是否遺留，若存在人員遺留，該系統將遺留信息和位置信息發送至車主手機。

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

4 結 語

本文設計并實現了一種基于51單片機設計的智能車載安全系統，包括智能遠光燈應對子系統、智能車內人員遺留檢測子系統、CO預防子系統和SOS一鍵呼救子系統。實驗表明，本文系統可對常見監測指標（CO濃度、紅外線、光敏強度傳感器）的進行智能監測，有效解決了駕乘人員的部分安全問題，尤其是當車輛突發意外危險情況時能為駕乘人員提供一定的幫助，其是針對駕乘人員打造的一款貼心的安全輔助保障產品。