巴興強(qiáng) 馬越 王曉輝

摘 要： 利用單片機(jī)控制技術(shù)，結(jié)合紅外探測(cè)、溫度感應(yīng)、無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)車(chē)內(nèi)高溫人體預(yù)警系統(tǒng)，以防止兒童及老人長(zhǎng)時(shí)間滯留車(chē)內(nèi)，在高溫情況下發(fā)生意外。工作原理為：在車(chē)輛熄火，車(chē)門(mén)關(guān)閉后，系統(tǒng)啟動(dòng)；當(dāng)紅外探測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)到車(chē)上有人存在時(shí)，單片機(jī)控制溫度感應(yīng)器啟動(dòng)，通過(guò)溫度檢測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)內(nèi)溫度；當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生高電平，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。同時(shí)，利用無(wú)線(xiàn)通信向車(chē)主發(fā)送報(bào)警信息，從而達(dá)到避免因車(chē)內(nèi)高溫給滯留人員帶來(lái)人身及財(cái)產(chǎn)傷害，防止事故發(fā)生。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 紅外感應(yīng)； 溫度檢測(cè)器； 無(wú)線(xiàn)通信； 高溫預(yù)警； 汽車(chē)安全

中圖分類(lèi)號(hào)： TN02?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(lái)，我國(guó)連續(xù)發(fā)生的多起兒童被遺忘在車(chē)內(nèi)而導(dǎo)致兒童窒息死亡或患熱射病的現(xiàn)象，引起了社會(huì)的高度重視。研究表明，當(dāng)汽車(chē)處于35 ℃的高溫環(huán)境時(shí)，在車(chē)體密閉的情況下，陽(yáng)光直射15 min后封閉車(chē)廂內(nèi)的溫度即可達(dá)到65 ℃。而根據(jù)現(xiàn)有醫(yī)學(xué)研究，當(dāng)密閉環(huán)境的溫度高于38 ℃時(shí)，人體就會(huì)出現(xiàn)不適，當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頭暈眼花、站立不穩(wěn)等現(xiàn)象。人體長(zhǎng)時(shí)間處在密閉高溫的環(huán)境下，生命健康會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害。在炎熱的夏季，室外氣溫很容易達(dá)到40 ℃，而我國(guó)的地下停車(chē)系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足汽車(chē)的停車(chē)需求，大多數(shù)車(chē)輛是在室外停放，在這樣的環(huán)境下，車(chē)內(nèi)溫度很容易達(dá)到50 ℃，甚至更高，這一嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，給汽車(chē)用戶(hù)帶來(lái)嚴(yán)重隱患。

本文基于單片機(jī)的車(chē)內(nèi)高溫預(yù)警系統(tǒng)，正是針對(duì)目前的這種需求設(shè)計(jì)出來(lái)的。利用紅外探測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、單片機(jī)和無(wú)線(xiàn)信息傳輸模塊技術(shù)[1?4]，實(shí)現(xiàn)當(dāng)車(chē)主離車(chē)之后對(duì)車(chē)內(nèi)是否有滯留人員和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到預(yù)警的作用，從而減少潛在悲劇的發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)共分為四個(gè)模塊，由單片機(jī)控制中心、紅外探測(cè)模塊、溫度感應(yīng)模塊、短信警示模塊組成。設(shè)計(jì)理念是單片機(jī)作為主控單元，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)控制程序，將各個(gè)子模塊連接起來(lái)，最終達(dá)到提供高溫預(yù)警信息的目的，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖1所示。

響應(yīng)流程為：當(dāng)車(chē)輛?？肯ɑ?，駕駛員離開(kāi)車(chē)輛并將車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)，系統(tǒng)開(kāi)始工作運(yùn)行。通過(guò)單片機(jī)，首先打開(kāi)熱紅外人體探測(cè)儀，對(duì)車(chē)內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若檢測(cè)到車(chē)內(nèi)無(wú)人員滯留，系統(tǒng)關(guān)閉，進(jìn)入休眠模式，減少能量損耗；若檢測(cè)到車(chē)內(nèi)有滯留人員，則返回信號(hào)給單片機(jī)，再由主控單元打開(kāi)溫度檢測(cè)傳感器，車(chē)內(nèi)溫度檢測(cè)器開(kāi)始工作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)溫度。當(dāng)車(chē)內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值（一般設(shè)置為與人體溫度相近的37 ℃）時(shí)，報(bào)警器啟動(dòng)預(yù)警，并通過(guò)單片機(jī)操縱無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)向預(yù)設(shè)的人員手機(jī)等顯示終端發(fā)送預(yù)警信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

選用STC89C52單片機(jī)作為主控系統(tǒng)中心，設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)，包括40條引腳，分I/O端口、控制和電源三類(lèi)引腳。其中，4個(gè)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(xiàn)2條，控制線(xiàn)共6條，用于傳送控制信號(hào)，時(shí)鐘電路引腳在18（XTAL1）和19（XTAL2）之間。復(fù)位電路由9（RST）引出[1?2]，如圖2所示。

2.2 熱釋電紅外探測(cè)儀

熱釋電紅外探測(cè)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(shè)有兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的感應(yīng)元件，當(dāng)汽車(chē)內(nèi)部的背景輻射產(chǎn)生作用時(shí)，感應(yīng)元件不產(chǎn)生輸出信號(hào)；當(dāng)有人體在探測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，紅外輻射作用于單個(gè)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而在電極表面形成電壓差[ΔU]，通過(guò)信號(hào)放大電路作用后產(chǎn)生輸出信號(hào)[4]。為有效消除干擾輻射，在其外部設(shè)置濾光片部件，將大于12 μm和小于9 μm的紅外波長(zhǎng)阻擋在外，僅讓人體發(fā)出的10 μm左右紅外線(xiàn)波長(zhǎng)通過(guò)并作用于感應(yīng)元，提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和信任度，減少誤報(bào)、漏報(bào)。在電路中增加低噪放大器，經(jīng)由放大器對(duì)其進(jìn)行增益補(bǔ)償，避免在車(chē)內(nèi)溫度與人體溫度相似的偶然情況下，錯(cuò)誤觸發(fā)傳感器，提高靈敏度[5]。

2.3 溫度檢測(cè)模塊

該設(shè)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)更加簡(jiǎn)便，測(cè)溫精度高，尤其是它可以將汽車(chē)內(nèi)的溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)，并提供給單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)編程達(dá)到溫度讀數(shù)的目的。而且DS18B20可以直接從單線(xiàn)通信線(xiàn)上得到電源供給，省去了外部電源的需求，從而簡(jiǎn)化接線(xiàn)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(cè)量范圍為-55～125 ℃ ，分辨率為0.5 ℃；

2） 單線(xiàn)接口，只需1個(gè)接口就可完成溫度轉(zhuǎn)換的讀寫(xiě)時(shí)間片的操作；

3） 9位數(shù)字方式讀溫度，典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 s；

4） 用戶(hù)可定義非易失性溫度告警設(shè)置；

5） 典型的供電方式為3線(xiàn)制，亦可采用寄生電源供電的2線(xiàn)制。

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

2.4 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)

通信芯片使用雙頻GSM/GPRS模塊的SIM900A經(jīng)典芯片，由于單片機(jī)與該芯片的工作電壓不同，對(duì)后者進(jìn)行單獨(dú)供電。組建單片機(jī)與該芯片的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷、串口進(jìn)行配置，保證模塊可以高效準(zhǔn)確運(yùn)行[8?9]。在本文設(shè)計(jì)中，利用內(nèi)嵌GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸單元，將單片機(jī)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的高速傳輸通道進(jìn)行傳輸。其內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧，只要用戶(hù)手機(jī)處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，GPRS附著在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上并保持聯(lián)系，遇到發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生AT指令控制內(nèi)置芯片，通過(guò)預(yù)設(shè)儲(chǔ)存在buf的電話(huà)號(hào)碼，向用戶(hù)發(fā)送短消息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的功能[10]。通信芯片設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。首先，車(chē)載單片機(jī)系統(tǒng)初始化操作，無(wú)線(xiàn)通信模塊轉(zhuǎn)為文本模式收發(fā)短信代碼。當(dāng)無(wú)紅外傳感器觸發(fā)時(shí)，等待熱釋電紅外傳感器信號(hào)；在單片機(jī)識(shí)別到傳感器信號(hào)后，啟動(dòng)溫度傳感器，并等待溫度傳感器釋放信號(hào)；當(dāng)單片機(jī)接收到溫度傳感器的異常信號(hào)后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊，對(duì)應(yīng)向手機(jī)發(fā)送指令，寫(xiě)入移動(dòng)通信內(nèi)置單元，以短信形式傳輸至用戶(hù)終端。用戶(hù)收到信息后，可進(jìn)行相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作?？傮w軟件設(shè)計(jì)如下：

4 結(jié)果分析

將汽車(chē)露天放置于太陽(yáng)下，然后熄火關(guān)閉車(chē)門(mén)，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，車(chē)內(nèi)無(wú)人的情況下，系統(tǒng)進(jìn)行初始檢測(cè)后關(guān)閉；安排人員坐在車(chē)內(nèi)，同樣熄火關(guān)閉車(chē)門(mén)，系統(tǒng)重新啟動(dòng)運(yùn)行。為安全起見(jiàn)，將報(bào)警溫度預(yù)設(shè)值設(shè)為37 ℃，在暴曬40 min后，車(chē)內(nèi)溫度上升并超過(guò)預(yù)設(shè)值后，系統(tǒng)成功向預(yù)留的電話(huà)號(hào)碼發(fā)送SOS信息。此時(shí)重新將車(chē)門(mén)打開(kāi)，系統(tǒng)關(guān)閉。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于單片機(jī)的車(chē)內(nèi)高溫預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)汽車(chē)功能的一種完善，對(duì)于提高汽車(chē)安全性和減少汽車(chē)使用者損失方面具有重大意義。該系統(tǒng)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，方便準(zhǔn)確，且成本低廉，增加的無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和為用戶(hù)提供重要信息的目標(biāo)，減少高溫情況下兒童及老人車(chē)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(shí)意義和推廣價(jià)值。

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