塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院通信工程系 鄒 敏 張 曉 鄭現(xiàn)超 張楠楠

1.總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)基本組成

該小轎車報警救人系統(tǒng)主要由STC89C52單片機(jī)作為主控電路，通過MH-Z14A二氧化碳傳感器檢測車內(nèi)的二氧化碳濃度及溫度感應(yīng)器檢測車內(nèi)溫度,具體包括STC89C52單片機(jī)、MH-Z14A二氧化碳傳感器、溫度感應(yīng)器、紅外感應(yīng)裝置、SIM 900A通信電路、LCD1602液晶顯示器、蜂鳴器報警裝置等模塊。

1.2 系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)基本原理是首先通過紅外感應(yīng)裝置檢測在密閉的、不行駛的小轎車車內(nèi)有無乘員，若沒有，則本系統(tǒng)不開啟；若有，則系統(tǒng)開始工作。然后通過MH-Z14A二氧化碳傳感器和溫度感應(yīng)器不停地檢測車內(nèi)的二氧化碳濃度、溫度是否超過設(shè)定的閾值[1]，若二氧化碳濃度或溫度其中有一項(xiàng)超過閾值，則將檢測到的數(shù)值通過LCD1602液晶顯示器顯示出來，并通過SIM 900A通信模塊自動打電話給車主以報警，與此同時車窗半開啟。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.硬件設(shè)計

2.1 主控模塊——STC89C52單片機(jī)

采用STC89C52芯片作為主控電路，其理由如下[2]：

第一，采用了超大規(guī)模集成電路技術(shù)的STC89C52芯片，數(shù)據(jù)處理能力極強(qiáng)。

第二，該芯片在-40～+85℃的溫度范圍內(nèi)皆可正常工作。換言之，在惡劣的環(huán)境下STC89C52芯片的性能良好。

2.2 通信模塊——SIM 900A通信電路

該模塊采用串口（UART）通信，可實(shí)現(xiàn)發(fā)短信或者打電話的功能，并且利于封裝，同時因?yàn)镾IM 900A的小巧、緊湊，所以當(dāng)該芯片作為通信模塊被應(yīng)用在此報警系統(tǒng)之時，所占比的空間更小，而其采用了功能強(qiáng)大的處理器ARM 9216EJ-S內(nèi)核又使得其性能優(yōu)越，能實(shí)現(xiàn)信息的高速傳輸。

2.3 CO2檢測模塊——MH-Z14A傳感器

該傳感器的工作原理是利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進(jìn)行探測，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性[3]。它的高靈敏度能為本報警系統(tǒng)的檢測工作提供極其精確而有效的數(shù)據(jù)，同時其優(yōu)異的穩(wěn)定性、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)又大大增強(qiáng)了本系統(tǒng)長久工作之后的可靠性。

2.4 溫度感應(yīng)模塊

該模塊的核心就是溫度傳感器，溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器[4]。按測量方式可以分為接觸式和非接觸式兩大類[5]。鑒于本設(shè)計系統(tǒng)的特性，考慮到溫度感應(yīng)模塊需要精確地檢測車內(nèi)溫度，因而必須先充分的與車內(nèi)空氣接觸，故采用接觸式的溫度測量儀表。

接觸式的溫度測量儀表是需要通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度，一般測量精度較高[6]。本系統(tǒng)是應(yīng)用到車內(nèi)，所以設(shè)計時必須充分考慮到溫度計的接觸面問題。

2.5 液晶顯示模塊——LCD1602液晶顯示器

LCD1602液晶顯示器其特殊的點(diǎn)陣字符位特性，有著行間距和字符間距的作用。正因?yàn)槿绱?，所以LCD1602它不能很好地顯示圖形，卻能較好地顯示具體數(shù)據(jù)[7]。LCD1602是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行則是16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）[8]。

當(dāng)單片機(jī)采集到二氧化碳濃度及溫度的信號后，經(jīng)過處理、加工、傳遞，立即在LCD1602上面顯示出當(dāng)前測量到的二氧化碳的濃度值。

3.軟件設(shè)計

3.1 主程序流程

本設(shè)計采用STC89C52和STC89C51作為控制的單片機(jī)芯片，是本系統(tǒng)中的核心部分與中樞，他們控制整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行[9]。軟件設(shè)計主要分為系統(tǒng)初始化、驅(qū)動傳感器，二氧化碳濃度、溫度的計算和顯示等，設(shè)計的主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主體設(shè)計流程圖

3.2 中斷程序設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)采用的定時器中斷是為了驅(qū)動二氧化碳傳感器和溫度感應(yīng)裝置，每次進(jìn)入中斷后需要不斷地重新賦值，流程圖如圖3所示。

圖3 中斷程序

圖4 SIM 900A模塊程序流程

3.3 SIM900A程序設(shè)計

SIM 900A模塊與單片機(jī)是串口通信，由單片機(jī)的引腳P30/P31來控制SIM 900A模塊的讀寫數(shù)據(jù)命令功能，流程圖如圖4所示。SIM 900A模塊內(nèi)部是采用串口（UART）通信，是通過另一個單片機(jī)發(fā)送AT指令來控制的，只要該單片機(jī)通電則SIM 900A模塊就開始打電話。

3.4 報警程序設(shè)計

報警采用的是以iSIM 900A模塊為核心加上蜂鳴器、電風(fēng)扇和2個發(fā)光二極管來顯示。傳感器輸入值后，運(yùn)行比較程序，小于閾值則執(zhí)行顯示程序，大于閾值則進(jìn)行聲光報警。報警流程圖如圖5所示。

圖5 報警程序流程圖

4.開發(fā)環(huán)境

根據(jù)本設(shè)計的特點(diǎn)，因其核心主要是STC89C52單片機(jī)，所以這里采用Keil uVision3，它是51 系列兼容單片機(jī)C語言的開發(fā)系統(tǒng)。它具有效率高，運(yùn)行速度快，占用存儲空間小等等一系列優(yōu)點(diǎn)[10]。它能夠?qū)懗鲎顑?yōu)化程序，且能反映出計算機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況[11]。具有良好的模塊化、容易閱讀、維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且編寫的模塊程序易于移植[12]。最后把Keil uVision3生成的HEX文件，再通過STC_ISP_V483燒錄到單片機(jī)中及程序燒錄完成。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

5.1 實(shí)物展示

圖6所示為本硬件設(shè)計實(shí)物圖，包括單片機(jī)STC89C52，STC89C51，MH-Z14A氣敏傳感器，溫度傳感器，SIM 900A通信模塊及開關(guān)，蜂鳴器，電風(fēng)扇和電阻等。

5.2 系統(tǒng)測試

待硬件和軟件都準(zhǔn)備完畢之后，將該系統(tǒng)放入密閉的玻璃箱內(nèi)，打開電源開關(guān)，系統(tǒng)初始化，各模塊預(yù)熱并開始正常工作。當(dāng)LCD1602液晶顯示屏正常工作時，就往密閉玻璃箱中徐徐通入二氧化碳，幾秒后熒屏則會顯示CO2濃度值開始升高。若二氧化碳濃度超過設(shè)定的閾值，則立馬會啟動蜂鳴器報警，電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，二極管被點(diǎn)亮，SIM 900A模塊開始工作（大約10秒后會接到該模塊撥打的電話）。測試時我們還可以調(diào)節(jié)閾值的大小來控制系統(tǒng)的報警狀態(tài)。同理，當(dāng)對玻璃箱緩緩加溫時，若超過設(shè)定的溫度閾值時，也會立即報警（整個過程溫度的測定值將不會在LCD1602上顯示）。最后，將把二氧化碳和溫度結(jié)合起來共同對本系統(tǒng)作用，只要其一超過閾值則報警。

圖6 總體實(shí)物圖

6.總結(jié)

通過團(tuán)隊(duì)的不斷調(diào)整與改進(jìn)，基于單片機(jī)與軟件設(shè)計的預(yù)警救人系統(tǒng)現(xiàn)在能輕松地實(shí)現(xiàn)紅外感應(yīng)人體、溫度預(yù)警、二氧化碳濃度預(yù)警、自動撥打報警電話等功能。基于該系統(tǒng)的設(shè)計靈感來源于社會事件，因而本報警系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性及實(shí)用性，尤其其實(shí)用性具有更為廣闊的應(yīng)用價值和極高的實(shí)際運(yùn)用意義。該系統(tǒng)不僅可運(yùn)用于家庭小轎車預(yù)警救人，也可運(yùn)用于中小學(xué)校車之內(nèi)，更可以用于礦產(chǎn)挖掘和密閉空間氣體監(jiān)測、報警等方面。

當(dāng)然，由于客觀條件不足和團(tuán)隊(duì)能力有限，該系統(tǒng)還有以下不足之處需要改進(jìn)：

（1）增加語音提示模塊；

（2）單片機(jī)的控制算法較為簡單，應(yīng)進(jìn)一步對中斷、判斷、報警等程序算法進(jìn)行優(yōu)化，以提高靈敏度，減少延遲。

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[12]360百科.https://baike.so.com/doc/5407199-5645104.html.