李瑞英，王昱錦，孔鈺媛，吳春梅，姜赫，王馨玉，劉永皓，徐權(quán)，張冰倩，何曉穎

（大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶，163712）

1 研究背景現(xiàn)狀及意義

伴隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)起火以及汽車(chē)落水無(wú)法逃離最終導(dǎo)致死亡的案例隨著近幾年私家車(chē)輛的不斷增加而逐年增高。而根據(jù)April 的統(tǒng)計(jì)，僅在2012 年這一年就有11000 起車(chē)輛駛出公路沖進(jìn)水中事故，這些事故中有3%的人因其死亡，因此車(chē)內(nèi)逃生裝置的發(fā)展成為了一種趨勢(shì)。車(chē)輛落水事故所造成的危害性和嚴(yán)重性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。車(chē)輛落水后，會(huì)以較快的時(shí)間沉入水底，因此留給車(chē)內(nèi)乘員逃生的黃金時(shí)間極其短暫。車(chē)輛落水后，車(chē)門(mén)內(nèi)外形成水位壓力差過(guò)大，即使是強(qiáng)壯的成年男性也無(wú)法通過(guò)打開(kāi)車(chē)門(mén)逃生，更何況車(chē)內(nèi)一般還會(huì)有女性及體弱的兒童、老人，因此從車(chē)門(mén)逃生是不可能的，而從車(chē)窗逃生則將成為落水后逃生的唯一出路。隨著車(chē)輛落水，往往會(huì)使車(chē)輛電路設(shè)備短路，電動(dòng)車(chē)窗無(wú)法工作。車(chē)輛落水后，即使消防人員及時(shí)趕到，而車(chē)在落水后水將降低外部破窗機(jī)械的力量，導(dǎo)致無(wú)法破窗，從而車(chē)內(nèi)人員將無(wú)法即時(shí)逃生[1]等。

設(shè)計(jì)擬采用STM32F103C8T6 型單片機(jī)作為中樞控制區(qū)，以溫度、二氧化碳、氣壓傳感器模塊掃描并檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫度、二氧化碳濃度、車(chē)內(nèi)外大氣壓力差，將檢測(cè)數(shù)值讀取，經(jīng)過(guò)加工處理后傳輸?shù)紼CU 進(jìn)行處理分析，ECU 通過(guò)與之前設(shè)定好的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)溫度、二氧化碳濃度、大氣壓力等數(shù)值綜合判斷，判斷是否有能進(jìn)行破窗的條件，然后將所得出結(jié)果傳輸給單片機(jī)，而后裝置根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的操作，如執(zhí)行破窗則繼電器啟動(dòng)傳遞給破窗裝置信息執(zhí)行破窗。并將溫度、二氧化碳濃度、大氣壓力差等數(shù)據(jù)顯示在裝置內(nèi)置的12864 液晶顯示屏上，另設(shè)獨(dú)立按鍵可進(jìn)行手動(dòng)破窗、復(fù)位等操作，系統(tǒng)通過(guò)模擬車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)并根據(jù)對(duì)比進(jìn)行破窗的功能。

2 自動(dòng)破窗系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)破窗系統(tǒng)主要以STM32F103C8T6 型單片機(jī)作為主控芯片，12864 液晶作為顯示器，結(jié)合身為執(zhí)行器的蜂鳴器報(bào)警模塊、LED 發(fā)光二極管和破窗裝置；還有身為傳感器部分的二氧化碳模塊、溫度模塊、大氣壓強(qiáng)模塊；以及控制單元部分負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)傳感器輸出的信號(hào)的控制單元這三大功能板塊構(gòu)成。當(dāng)監(jiān)測(cè)到車(chē)內(nèi)空氣中二氧化碳濃度以及車(chē)內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)將判斷車(chē)內(nèi)有危險(xiǎn)發(fā)生，使用破窗錘敲擊擊碎前擋風(fēng)玻璃，使車(chē)內(nèi)人員逃生，完成整個(gè)遇險(xiǎn)逃生過(guò)程[2]。

2.1 研究?jī)?nèi)容

項(xiàng)目研究主要內(nèi)容：對(duì)空氣中二氧化碳濃度、車(chē)內(nèi)溫度、車(chē)內(nèi)外大氣壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛處于險(xiǎn)情中時(shí)將發(fā)出警鳴并擊碎前擋風(fēng)玻璃；復(fù)原按鍵，本裝置可以在工作之后通過(guò)按鍵復(fù)原進(jìn)行二次利用；本裝置可以把當(dāng)前空氣中的二氧化碳濃度、溫度、內(nèi)外壓強(qiáng)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上；為了使誤差處于較小范圍，各個(gè)裝置的靈敏度經(jīng)過(guò)挑選都應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)整模擬溫度的幅度，來(lái)測(cè)試該裝置在外部環(huán)境下是否能夠達(dá)到預(yù)期的工作狀態(tài)；可以使用高寒高溫的極度天氣，并正常工作，足以體現(xiàn)本裝置可靠性。預(yù)期目標(biāo)：本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)內(nèi)二氧化碳、溫度數(shù)據(jù)的分析和內(nèi)外大氣壓力的感應(yīng)，作為車(chē)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的參考，如果有人在車(chē)內(nèi)發(fā)生險(xiǎn)情，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)車(chē)內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化來(lái)控制破窗器進(jìn)行破窗從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人員進(jìn)行救助的功能。

自動(dòng)破窗系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103C8T6 作為主板與大氣壓力傳感器、溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、報(bào)警器、破窗裝置等檢測(cè)執(zhí)行裝置相結(jié)合所設(shè)計(jì)出來(lái)的[2]。且另設(shè)虧電裝置，在破窗裝置內(nèi)部電力短缺時(shí)進(jìn)行提醒，以即時(shí)補(bǔ)充電源。系統(tǒng)利用溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、大氣壓力傳感器來(lái)采集車(chē)輛環(huán)境參數(shù)，由中央處理器檢測(cè)數(shù)值，當(dāng)數(shù)值超過(guò)峰值時(shí)，系統(tǒng)立即觸發(fā)破窗操作，以此來(lái)發(fā)展達(dá)到國(guó)家安全進(jìn)行防護(hù)的效果。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用了STM32F103C8T6 這款型號(hào)的單片機(jī)，用C 語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼需要通過(guò)一系列操作使其編譯成HEX文件后才能下載燒錄到單片機(jī)的內(nèi)存中如圖1 所示，供我們使用。軟件設(shè)計(jì)的總體思路如圖2 所示，為了保證算法的準(zhǔn)確性和有效性，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理進(jìn)行分析，將分析內(nèi)容進(jìn)行處理。 此外，為了系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤在每次啟動(dòng)后都會(huì)進(jìn)行自檢，自檢完成后開(kāi)始進(jìn)行循環(huán)操作，在不發(fā)生意外的情況下，模塊測(cè)試將繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行。 當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛的溫度和二氧化碳濃度不正常時(shí)，就會(huì)進(jìn)行破窗行為作業(yè)[3]。 在自檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)也提示內(nèi)部存在故障，等待故障被人工修復(fù)后再正常循環(huán)工作[4]。

圖1 Keil-5 軟件界面

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.3 硬件設(shè)計(jì)

選用的硬件主要包括：STM32 單片機(jī) 、LCD12864 顯示屏、LED 指示燈、獨(dú)立按鍵、蜂鳴器、DS18B20 溫度傳感器和紅外二氧化碳傳感器、壓電式力敏傳感器大氣壓力傳感器等。該系統(tǒng)主要由傳感器模塊、通信模塊、執(zhí)行模塊、移動(dòng)電源、微機(jī)等組成，通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估該系統(tǒng)的正確性和可靠性，本系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)運(yùn)行，并且系統(tǒng)裝置成本低、性?xún)r(jià)比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、適用性和實(shí)用性較強(qiáng)，具有良好的市場(chǎng)前景。自動(dòng)破窗系統(tǒng)的硬件框架圖，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框架圖

先通過(guò)獨(dú)立分區(qū)的檢測(cè)裝置中的二氧化碳傳感器檢測(cè)車(chē)內(nèi)空氣中的二氧化碳濃度；溫度傳感器檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫度；大氣壓力傳感器檢測(cè)車(chē)內(nèi)外的氣壓差，然后通過(guò)各種傳感器等器件將物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)后，經(jīng)由放大器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)通過(guò)引腳傳輸給單片機(jī)內(nèi)部，其電路原理圖如圖4 所示。然后單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)和內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，執(zhí)行啟動(dòng)繼電器、破窗等一系列的后續(xù)工作。

圖4 電路原理圖

為了將我們的裝置檢測(cè)效果以及舒適度達(dá)到最好的水平，我們將根據(jù)以下幾點(diǎn)問(wèn)題來(lái)提出解決方案：

（1）我們根據(jù)如何檢測(cè)車(chē)內(nèi)環(huán)境是否已經(jīng)達(dá)到危險(xiǎn)數(shù)值的問(wèn)題：我們采用了DS18B20 溫度傳感器、紅外二氧化碳傳感器、壓電式力敏傳感器大氣壓力傳感器這三個(gè)反應(yīng)靈敏，體積較小，實(shí)用性較強(qiáng)、能在較為嚴(yán)酷的環(huán)境中監(jiān)測(cè)具有較高的適應(yīng)能力的傳感器來(lái)進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)。

（2）我們根據(jù)汽車(chē)內(nèi)部空間問(wèn)題：該裝置將破窗裝置與監(jiān)測(cè)裝置分離，使其體積減小不會(huì)碰撞到駕駛員的頭部。

（3）我們根據(jù)車(chē)內(nèi)安裝系統(tǒng)問(wèn)題：采用無(wú)須在生產(chǎn)線上進(jìn)行安裝，可像行車(chē)記錄儀一樣可后期加裝。

并且現(xiàn)在大多數(shù)家庭用車(chē)還未普及這類(lèi)裝置，市場(chǎng)前景高，而且使用方便、實(shí)用性強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高，適合進(jìn)行商業(yè)推廣。

2.4 項(xiàng)目具體功能及實(shí)現(xiàn)

為保證安裝后的實(shí)物是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，設(shè)置一組實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)傳感器的檢測(cè)是否會(huì)有誤差，來(lái)判斷監(jiān)測(cè)裝置是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。將對(duì)這兩種數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量，充足的光線代表夏天，昏暗代表冬天。調(diào)試完成后，對(duì)實(shí)物數(shù)據(jù)分析，確定系統(tǒng)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試得到3 組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1、表2 和表3 所示。

表1 不同溫度隨陽(yáng)光條件變化測(cè)試結(jié)果

70℃ 昏暗 繼電器沒(méi)啟動(dòng)，燈不亮70℃ 光線充足 繼電器沒(méi)啟動(dòng)，燈不亮90℃ 昏暗 繼電器啟動(dòng)，燈亮90℃ 光線充足 繼電器啟動(dòng)，燈亮

表2 不同CO2濃度隨陽(yáng)光條件變化測(cè)試結(jié)果

表3 不同大氣壓力差隨陽(yáng)光條件變化測(cè)試結(jié)果

由表1 可知在車(chē)內(nèi)溫度高于車(chē)內(nèi)正常溫度值時(shí)會(huì)導(dǎo)致繼電器的啟動(dòng)；由表2 可知在車(chē)內(nèi)二氧化碳濃度超過(guò)正常值時(shí)繼電器將啟動(dòng)；而由表3 可知當(dāng)車(chē)內(nèi)外大氣壓力差值達(dá)到40%時(shí)繼電器啟動(dòng)。僅僅是上述數(shù)據(jù)還不足以支撐裝置的調(diào)試數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)意圖重復(fù)使用裝置，為此我設(shè)計(jì)了另一組對(duì)照試驗(yàn)，設(shè)置啟動(dòng)復(fù)位鍵和未按復(fù)位鍵是屏幕上數(shù)據(jù)和繼電器是否亮起，測(cè)得數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 破窗系統(tǒng)復(fù)位測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)調(diào)試，本文設(shè)計(jì)的破窗系統(tǒng)能夠在誤差較小的情況下完成操作，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單實(shí)用的功能。由于各種元器件的特性不同，外界環(huán)境如溫度、濕度等的干擾，以及焊接過(guò)程的偏差，成品設(shè)計(jì)不能達(dá)到預(yù)期的效果，因此，也需要一些物理調(diào)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試，我們?cè)O(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)對(duì)車(chē)內(nèi)乘客的安全救援率較高，在未失效前就達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。具體實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 實(shí)物圖

2.5 目標(biāo)客戶(hù)

我國(guó)是現(xiàn)在汽車(chē)的保有量不斷上漲的國(guó)家，我們的主要目標(biāo)客戶(hù)，小到家庭用車(chē)，大到公交巴士、地鐵、高鐵等大型載客車(chē)輛。近年來(lái)，世界極端天氣數(shù)量不斷增加，車(chē)輛行駛安全系數(shù)大幅度下降，車(chē)內(nèi)安全問(wèn)題顯得尤為突出，這是自動(dòng)破窗系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)遇。在車(chē)輛擁有數(shù)不斷上漲的現(xiàn)在，所設(shè)計(jì)的破窗裝置，可以從黑龍江省推廣到東北三省乃至全國(guó)甚至是全球。

圖6 破窗效果圖

3 項(xiàng)目技術(shù)實(shí)施及應(yīng)用

目前高校計(jì)算機(jī)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理等課程教學(xué)中明顯存在理論和應(yīng)用的脫節(jié)問(wèn)題，學(xué)生學(xué)完仍不會(huì)實(shí)操具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，不會(huì)用所學(xué)知識(shí)去設(shè)計(jì)并編程解決實(shí)際問(wèn)題。針對(duì)多年教學(xué)過(guò)程中的一些思考和探索，基于目前的現(xiàn)狀和學(xué)生的實(shí)際情況，本著提高學(xué)生適應(yīng)社會(huì)的需求和增加就業(yè)籌碼的目的，深入分析目前這些教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，提出了五動(dòng)+雙線創(chuàng)新教學(xué)模式，進(jìn)行課程改革研究與實(shí)踐，授課過(guò)程中使用該項(xiàng)目的子程序，這些子程序是更具體的、與專(zhuān)業(yè)結(jié)合更緊密的一個(gè)個(gè)生動(dòng)案例來(lái)進(jìn)行理論和實(shí)踐一體化教學(xué)，使學(xué)生能更深刻的理解單片機(jī)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在本專(zhuān)業(yè)具體有什么用，怎么用，讓學(xué)習(xí)更加捷徑化、具體化、實(shí)用化，理論更好聯(lián)系實(shí)際。真正達(dá)到了培養(yǎng)好用實(shí)用的創(chuàng)新性人才的目的，符合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位，同時(shí)符合國(guó)家和社會(huì)對(duì)人才的需求。主要針對(duì)以下問(wèn)題展開(kāi)：以成果為導(dǎo)向，反向整合課程體系，正向開(kāi)發(fā)線上資源；依托線上前置功能，構(gòu)建了“雙線”+“自動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、互動(dòng)、行動(dòng)”五動(dòng)一體化動(dòng)態(tài)教學(xué)模式，輔助大創(chuàng)學(xué)科競(jìng)賽等實(shí)踐手段，打造線上線下深度融合“五動(dòng)”金課；堅(jiān)持立德樹(shù)人，全面發(fā)展；以學(xué)生為中心，構(gòu)建閉環(huán)反饋評(píng)價(jià)系統(tǒng)，制定了多角度全方位的考核評(píng)價(jià)體系。該教學(xué)模式的實(shí)施，有效促進(jìn)了地方本科院校應(yīng)用型課程教學(xué)質(zhì)量的提高，深受廣大應(yīng)用型本科院校學(xué)生的歡迎，對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握更加全面和認(rèn)深入，能大規(guī)模推廣使用。

4 結(jié)論

采用STM32F103C8T6 型單片機(jī)作為中樞控制區(qū)，檢測(cè)并對(duì)比溫度、二氧化碳、氣壓傳感器模塊掃描并檢測(cè)車(chē)內(nèi)溫度、CO2等濃度、壓強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確判斷是否執(zhí)行破窗操作，且在符合條件時(shí)自主破窗操作，營(yíng)救生命，該自動(dòng)破窗裝置可進(jìn)行重復(fù)多次使用，且破窗率100%。并與企業(yè)合作將其進(jìn)行商業(yè)化推廣，市場(chǎng)前景好。項(xiàng)目軟件程序用于教學(xué)實(shí)踐，創(chuàng)新雙線+五動(dòng)教學(xué)模式，大大提升了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，達(dá)到了培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目的，符合國(guó)家和社會(huì)對(duì)人才的需求。