王晴晴，陳進(jìn)，趙建川，吳戀，黃菊香，胡元銳

（貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550018）

1 概述

隨著科技的進(jìn)步,發(fā)展智能化汽車(chē)勢(shì)必會(huì)成為汽車(chē)行業(yè)的共識(shí)[1]。家長(zhǎng)把孩子留守在車(chē)內(nèi)，造成兒童窒息死亡的事故時(shí)常發(fā)生。汽車(chē)室內(nèi)長(zhǎng)久處于封閉狀態(tài)，CO2濃度升高，室內(nèi)溫度相對(duì)升高，長(zhǎng)久處于此環(huán)境下的兒童生命受到威脅。針對(duì)此情況，本文設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程護(hù)童報(bào)警裝置，幫助車(chē)主及時(shí)獲取車(chē)內(nèi)的環(huán)境狀況，從而避免不必要的事故降臨。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置以51單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)DS18B20、MG811、MQ-2模塊對(duì)車(chē)內(nèi)，溫度、CO2和CO數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過(guò)GSM模塊，把數(shù)據(jù)上傳到用戶手機(jī)上。為更好地幫助用戶對(duì)獨(dú)處車(chē)內(nèi)兒童進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種報(bào)警情況；其一，當(dāng)車(chē)內(nèi)存在兒童且環(huán)境數(shù)據(jù)威脅到車(chē)內(nèi)兒童安全時(shí)，裝置通過(guò)發(fā)短信與蜂鳴器響的形式報(bào)警。其二，當(dāng)車(chē)內(nèi)存在兒童且車(chē)內(nèi)環(huán)境已嚴(yán)重威脅到兒童體健康時(shí)，裝置通過(guò)打電話與蜂鳴器響的形式報(bào)警。如圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件參數(shù)需求

數(shù)字溫度傳感器為“單總線”傳感器，功耗低，可直接給單片機(jī)提供穩(wěn)定的數(shù)字溫度數(shù)據(jù)。電化學(xué)氣體傳感器干擾性能強(qiáng)，功耗低；有穩(wěn)定的輸出性能，一般的環(huán)境因素對(duì)傳感器靈敏度影響不大。紅外人體感應(yīng)傳感器具有高靈敏度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。ATK-SIM800c通信模塊，采用四頻工作頻段，支持藍(lán)牙、TTS、SIM卡等功能，體積小巧，使用方便，DC5-24V超寬供電范圍，支持RS232/TTL串口連接。

表1 各傳感器選型

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3.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，穩(wěn)定的電源可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，因此電源部分是需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)的部分。在本次設(shè)計(jì)中，由于通信模塊、一氧化碳檢測(cè)模塊、二氧化碳檢測(cè)模塊等都需要單獨(dú)供電，都有電源部分電路，在這里只重點(diǎn)介紹裝置的電源電路。

電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示，其中33uH電感L在回路中起著消除系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的磁通量，保證電源穩(wěn)定；220uF和680uF的電容分別放在穩(wěn)壓芯片的輸入和輸出兩端，起著濾波的作用。

圖2 電源電路設(shè)計(jì)

3.3 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

高溫引發(fā)的汽車(chē)事故是至今為止最多的一項(xiàng)，針對(duì)汽車(chē)內(nèi)溫度上升速度和范圍，我們選擇DS18B20作為本裝置的溫度檢測(cè)模塊較為合適。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器工作在外部電源供電下，具有較高的穩(wěn)定性，且抗干擾能力強(qiáng)。如圖3所示。

圖3 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

3.4 CO2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖4為CO2傳感器工作電路，MG811為固體電解質(zhì)傳感器，它的信號(hào)輸出阻抗非常高，因此不能直接用普通的電壓表或萬(wàn)用表測(cè)量其輸出信號(hào)[2][3]。

圖4 CO2傳感器工作電路

MG811直接與空氣接觸工作，環(huán)境溫度的變化會(huì)影響傳感器的靈敏度。用于較高的精度環(huán)境時(shí)，需要加上溫度補(bǔ)償[4]。反之，則可以不加溫度補(bǔ)償。

傳感器敏感電極與參考電極間的電勢(shì)差（EMF）符合能斯特方程：EMF=Ec-((2F)*ln(P(CO2))-1*R*T[5]。

4 軟件設(shè)計(jì)

裝置中由于電化學(xué)氣體傳感器，在達(dá)到穩(wěn)定的靈敏度前，需一個(gè)預(yù)熱的過(guò)程；通信模塊要達(dá)到穩(wěn)定的通信功能需要初始配對(duì)；所以系統(tǒng)上電后會(huì)進(jìn)行初始化延時(shí)，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。當(dāng)系統(tǒng)正常工作后，通過(guò)STC89C52單片機(jī)給各模塊發(fā)送獲取信息的命令，各模塊收到命令后，對(duì)車(chē)內(nèi)環(huán)境溫度、二氧化碳濃度及一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)內(nèi)部程序?qū)⑺袛?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并將危險(xiǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊發(fā)送到車(chē)主手機(jī)上。

圖5 系統(tǒng)整體程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)為控制核心的汽車(chē)遠(yuǎn)程護(hù)童的裝置，給出了主要軟硬件的具體設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)真實(shí)的溫度（高/低）、二氧化碳（過(guò)高）以及一氧化碳（過(guò)高）測(cè)試了裝置的檢測(cè)范圍、精確度等性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置的監(jiān)測(cè)范圍寬、精度高，使用壽命長(zhǎng)，操作便捷，價(jià)格便宜等，能較好地解決現(xiàn)今汽車(chē)事故檢測(cè)裝置的不足。