摘 要：隨著社會的進步發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中必不可少的交通工具，然而，隨著汽車使用的普及，在夏季高溫天氣下，兒童被遺忘在車內(nèi)導(dǎo)致的悲劇性事件時有發(fā)生，可能導(dǎo)致兒童窒息或死亡，這對車內(nèi)安全系統(tǒng)提出了迫切要求，為了解決上述問題，文章設(shè)計出了一種車內(nèi)緊急狀況遠程報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地檢測車內(nèi)溫度和聲音。當(dāng)車內(nèi)溫度和聲音同時達到預(yù)設(shè)閾值時，系統(tǒng)將觸發(fā)車內(nèi)報警裝置，并通過通信模塊發(fā)送警報信息到家長的手機上，實現(xiàn)了對溫度與聲音的檢測與報警功能。系統(tǒng)利用了多元檢測和報警方法，不僅能有效防止兒童在車內(nèi)遭受意外傷害，還為智能安防技術(shù)與其他領(lǐng)域的發(fā)展提供了有益的探索和借鑒。

關(guān)鍵詞：單片機 溫度檢測 聲音檢測 遠程報警

近年來，夏季高溫天氣下兒童被遺忘在車內(nèi)導(dǎo)致的悲劇性事件時有發(fā)生，這種環(huán)境對于兒童來說很容易導(dǎo)致中暑、窒息甚至死亡。研究表明，兒童哭聲的聲強和持續(xù)時間因情緒和需求而異，常見聲強在60dB到90dB之間。因此，結(jié)合車內(nèi)溫度和聲音兩個物理指標(biāo)，可以有效判斷車內(nèi)是否存在危及兒童生命的情況。

隨著智能傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展和報警系統(tǒng)的逐漸出現(xiàn)，本文針對兒童被遺忘在車內(nèi)的嚴(yán)重問題，設(shè)計出一種能夠根據(jù)車內(nèi)溫度和兒童哭聲的數(shù)據(jù)變化的報警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計的思路，各模塊功能明確，便于開發(fā)、調(diào)試與擴展。可以迅速采集與處理數(shù)據(jù)，易用性強，以多種報警方式避免危險情況的發(fā)生。方案將系統(tǒng)劃分為輸入與輸出兩個部分，以確保對車內(nèi)環(huán)境的全面檢測和及時報警。

在輸入部分，通過設(shè)計溫度檢測模塊與聲音檢測模塊實現(xiàn)了對車內(nèi)實時溫度與聲音信號進行實時采集的功能，通過三個獨立按鍵實現(xiàn)模式切換以及溫度與聲音閾值高低調(diào)整的功能。

在輸出部分，方案設(shè)計了顯示模塊，負責(zé)顯示設(shè)定的溫度與聲音閾值以及車內(nèi)的實時溫度和聲音，實現(xiàn)對車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示與蜂鳴器報警功能。同時，遠程報警功能能迅速將車內(nèi)信息發(fā)送到用戶手機上，實現(xiàn)遠程提醒。

系統(tǒng)上電后，初始化各個模塊，溫度檢測模塊檢測當(dāng)前環(huán)境溫度，并將信號輸出給主控芯片。聲音檢測模塊將當(dāng)前環(huán)境聲音信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并將信號傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊對聲音檢測模塊的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給主控芯片。顯示模塊顯示初始信息，包括當(dāng)前設(shè)定的溫度和聲音閾值。系統(tǒng)每秒執(zhí)行一次數(shù)據(jù)采集和處理，將采集到的溫度和聲音數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊上。報警模塊檢查溫度和聲音是否超過預(yù)設(shè)的報警閾值。如果超過閾值，則在顯示模塊上顯示警告、啟動蜂鳴器報警、通信模塊發(fā)送報警短信。

2 系統(tǒng)核心模塊硬件設(shè)計

2.1 主控芯片選擇

在設(shè)計車內(nèi)緊急狀況遠程報警器的過程中，由于52單片機是經(jīng)典的8位主控芯片，具有高集成度、高可靠性和價格實惠的優(yōu)點，其中用途最廣泛的單片機型號主要有兩種，分別是AT89C52單片機與STC89C52RC單片機。STC89C52RC是STC推出的新一代高速，寬電壓，低功耗，超強抗干擾，高性能CMOS8位單片機，工作電壓：3.8V-5.5V，工作頻率范圍：0到35MHz，是8k字節(jié)程序空間的可反復(fù)擦寫的Flash（閃存）只讀程序存儲器（ROM）和512字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），它的體積小而且供電量低，處理速度快，內(nèi)部空間大，所以將STC89C52RC單片機作為主控芯片。由于大多數(shù)的以52為內(nèi)核的單片機，其內(nèi)部已經(jīng)包含了一定數(shù)量的程序存儲器，在外部只要增加內(nèi)部時鐘電路和復(fù)位電路即可構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)設(shè)計，如圖2所示。

2.2 溫度檢測模塊設(shè)計

由于車內(nèi)緊急狀況遠程報警器需要對環(huán)境溫度進行精準(zhǔn)檢測，本設(shè)計通過對比NTC熱敏電阻、RTD、熱電偶和DS18B20數(shù)字溫度傳感器，由于NTC熱敏電阻的測量精度較低，受外界環(huán)境影響較大，熱電偶是一種利用兩種不同金屬的熱電效應(yīng)來測量溫度的傳感器，但是其輸出信號非常微弱，需要高精度的放大器，且測量精度相對較低，RTD的缺點是響應(yīng)速度較慢，成本較高，不太適合成本較低的嵌入式系統(tǒng)，DS18B20數(shù)字溫度傳感器的測量精度可達±0.5℃，可以直接輸出數(shù)字信號，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，適合精確溫度測量，因此DS18B20成為最佳選擇。

基于DS18B20的快速感知特性，溫度檢測模塊可以與報警模塊集成，構(gòu)建完整的報警系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境溫度超出設(shè)定范圍時，報警模塊可以觸發(fā)報警并采取對應(yīng)的措施，保障車輛內(nèi)部兒童的安全。DS18B20溫度傳感器的檢測范圍（-55℃～+125℃）可以完全滿足系統(tǒng)硬件設(shè)計對檢測車內(nèi)環(huán)境具體溫度的需求。

2.3 聲音檢測模塊設(shè)計

聲音檢測模塊在車內(nèi)緊急狀況遠程報警器中起到關(guān)鍵作用，本設(shè)計選擇電容式拾音器作為聲音檢測設(shè)備的最佳選擇。模塊內(nèi)置電容式拾音器與電容式濾波器，將濾波后的信號經(jīng)過漂零處理將優(yōu)化后的聲音信號輸出。聲音檢測模塊由變送模塊、漂零模塊組成，變送模塊將采集到的聲音信號轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，促進模塊內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸。漂零模塊主要通過補償漂移，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2.4 顯示模塊設(shè)計

由于車內(nèi)緊急狀況遠程報警器需要對實時溫度與聲音進行精確顯示，對可視化與用戶交互要求較高，因此選擇合適的顯示設(shè)備至關(guān)重要。LCD1602是一種字符型液晶顯示模塊，可以顯示ASCII碼的標(biāo)準(zhǔn)字符和其他的一些內(nèi)置特殊字符，還可以有8個自定義字符，顯示容量為6×2個字符，顯示內(nèi)容豐富，控制簡單，成本適中，成為顯示設(shè)備的最佳選擇，能夠滿足系統(tǒng)的要求。顯示模塊中LCD1602的1至3端口分別與電源地，電源正極，10K電位器相連，16端與電源地相連，作為背光負極。

2.5 按鍵模塊設(shè)計

按鍵模塊操作過程中，獨立按鍵被按下會產(chǎn)生電信號脈沖，電信號會被傳遞STC89C52RC單片機進行處理。通過這三個按鍵，用戶可以隨時切換模式并調(diào)整對預(yù)設(shè)溫度閾值或聲音閾值高低的控制。獨立按鍵K1、K2、K3用于設(shè)置溫度和聲音的報警閾值。

2.6 通信模塊設(shè)計

通信模塊采用SIM900A，該模塊支持多種通信方式和功能，包括數(shù)據(jù)傳輸、短信、語音通話等。采用低功耗設(shè)計，通信穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸速度快，接口簡潔。SIM900A通信模塊是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的通信模塊，由主控芯片、通信接口、天線、SIM卡插槽、電源接口等組成。

2.7 統(tǒng)整體硬件電路的設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機最小系統(tǒng)、溫度檢測模塊、聲音檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、LCD1602液晶顯示屏、通信模塊等組成。

DS18B20溫度傳感器對環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測。聲音檢測模塊將檢測到的聲音模擬信號經(jīng)過濾波與放大，傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊使用PCF8591將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳給單片機，單片機得到信號后，將檢測值與閾值相對比，如果超過閾值，將觸發(fā)蜂鳴器、LCD1602液晶顯示屏在車內(nèi)報警，同時通過通信模塊向車主發(fā)送短信報警，將緊急情況及時通知用戶。同時，單片機在得到溫度信號后，將檢測值與閾值相對比，如果超過閾值，同樣會在車內(nèi)與車外報警。如果低于閾值，將關(guān)閉蜂鳴器，停止顯示屏在車內(nèi)報警。系統(tǒng)通過三個獨立按鍵隨時調(diào)整系統(tǒng)所設(shè)定的溫度與聲音閾值高低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體軟件流程

車內(nèi)緊急狀況遠程報警器的軟件采用模塊化設(shè)計，層次清晰，使用C語言進行編程，由溫度檢測模塊，聲音檢測模塊、PCF8591模塊，LCD顯示模塊，蜂鳴器報警模塊，SIM900A通信模塊組成，各模塊互相集成構(gòu)成了完整的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)總體軟件流程圖如圖3所示。

程序開始運行后，主程序會首先對單片機、LCD顯示模塊、PCF8591等模塊進行初始化，以確保各部分程序正常運行，然后進入主循環(huán)。進入主循環(huán)后，主程序會調(diào)用相應(yīng)的模塊對數(shù)據(jù)進行讀取、處理與傳送。序進入正常狀態(tài)以后，LCD1602可以直觀地顯示環(huán)境中的溫度與聲音數(shù)據(jù)，方便用戶隨時通過按鍵切換模式修改溫度與聲音閾值的高低。當(dāng)實際的環(huán)境溫度和聲音同時超過閾值或其中一個超過閾值時，系統(tǒng)將通過翻轉(zhuǎn)蜂鳴器發(fā)出持續(xù)的報警聲，并通過LCD顯示“warning?。?！”的警示信息，同時通過通信模塊向用戶手機發(fā)送報警短信進行報警。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計流程圖分為兩步，第一步：PCF8591初始化程序，在PCF8591_init（）函數(shù)中，單片機通過I2C總線協(xié)議向PCF8591模塊發(fā)送初始化命令，設(shè)置讀取模擬值的通道參數(shù)。第二步：讀取A/D值程序，在AD_read（）函數(shù)中，首先通過I2C總線發(fā)送讀取指令給PCF8591模塊，然后從模塊中讀取返回的AD值，并將其作為函數(shù)的返回值。

聲音傳感器模塊輸出的模擬信號范圍是0V到3.44V。為了將聲音傳感模塊得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為分貝值，并在液晶屏上顯示，需要將聲音傳感模塊的模擬輸出的模擬信號通過PCF8591轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。所以將模擬輸出帶入模擬信號轉(zhuǎn)換公式，得出PCF8591輸出的數(shù)字值A(chǔ)D value與分貝值的公式，數(shù)字值A(chǔ)D value與分貝值的公式如公式（1）所示：

（1）

3.3 LCD1602顯示程序設(shè)計

LCD1602程序開始之后，首先通過寫命令，設(shè)置系統(tǒng)光標(biāo)位置，進行LCD1602初始化，再通過發(fā)送數(shù)據(jù)與設(shè)置光標(biāo)位置和一系列數(shù)據(jù)處理就可以在LCD1602上指定位置顯示字符、字符串、數(shù)字。LCD通過初始化與發(fā)送指令確定顯示字母與數(shù)字的位置與長度，通過寫指令與寫數(shù)據(jù)完成對數(shù)據(jù)完成對數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。

3.4 報警程序的設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，通過溫度傳感器與聲音檢測模塊讀取溫度與聲音數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會將當(dāng)前數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進行比較，當(dāng)環(huán)境溫度與分貝值同時達到設(shè)定的閾值，或者其中一個達到閾值時，系統(tǒng)就會觸發(fā)蜂鳴器蜂鳴發(fā)出持續(xù)的警報聲報警，當(dāng)環(huán)境溫度與分貝值同時低于設(shè)定的閾值，或者其中一個低于閾值時蜂鳴器就停止報警。系統(tǒng)使用無源蜂鳴器報警，通過集成電路驅(qū)動蜂鳴器報警，同時，通過短信通知用戶，無論用戶是否在車輛附近，都能及時獲知車內(nèi)狀況，確保安全。這種報警設(shè)計提高了系統(tǒng)的實時性和有效性，為車輛用戶提供了可靠的緊急報警方式，防止危險的發(fā)生。

4 總結(jié)與展望

文章以STC89C52RC為核心芯片，設(shè)計了一種對車內(nèi)溫度和聲音兩個物理指標(biāo)進行實時檢測和報警系統(tǒng)。通過硬件設(shè)計，軟件編碼和實際測試，本設(shè)計實現(xiàn)了對車內(nèi)溫度與聲音的檢測和報警功能，系統(tǒng)符合設(shè)計原則，實現(xiàn)了預(yù)期功能。

本設(shè)計可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過改進硬件來提高溫度和聲音監(jiān)測的準(zhǔn)確性，也可以在報警器中考慮增加更多的安全功能，如遠程控制和遠程監(jiān)控，來實現(xiàn)對更車輛內(nèi)外的管理和控制。同時可以開發(fā)功能更加完善的報警器，將報警器推廣到更廣泛的應(yīng)用場景，如工業(yè)環(huán)境監(jiān)測、智能家居安防等領(lǐng)域，滿足不同場景下的需求。

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