基于单片机的车内滞留儿童预警系统设计
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目 录
摘要- I
ABSTRACT II
1 绪论- 1
1.1 研究背景及意义- 1
1.2 创新内容及拓展- 2
1.3 目标功能- 2
2 设计方案论证分析- 3
2.1 方案需求- 3
2.2 方案比较及选择- 3
3 系统硬件设计- 6
3.1 系统整体设计- 6
3.2 主处理器- 8
3.2.1 芯片简介- 8
3.2.2 外围电路- 8
3.3 人员检测模块- 9
3.4 湿温度采集模块- 10
3.5 有害气体浓度数据采集模块- 10
3.6 液晶显示模块- 11
3.7 GSM通信模块- 12
3.8 现场报警模块- 13
4 系统软件设计- 14
4.1 主程序设计- 14
4.2 GSM模块程序设计- 15
4.2.1 TC35模块的AT指令集- 15
4.2.2 TC35初始化子程序- 15
4.2.3 GSM模块读写短信程序设计- 16
4.3 传感器及显示程序设计- 18
5 仿真调试与分析- 20
5.1 结果分析- 20
5.2 设计可完善的地方- 22
6 总结与展望- 23
6.1 总结- 23
6.2 展望- 23
参考文献- 25
致谢- 27
附录- 28
摘 要
随着汽车行业的迅猛发展，汽车逐渐走入大众的视野，但因车内温度过高、氧气不足、有害气体浓度过高而导致的中毒窒息事件不断发生，引起了社会各界的广泛关注。美国KidsandCars组织对近十年美国儿童车内非交通事故伤害进行统计和分类，结果显示，儿童车内滞留热窒息死亡占58%，远高于其他伤害类型。儿童长时间困在车内时，由于孩子自救能力有限，无法寻求外界帮助或打开空调通风系统、通风窗来自救，随着车内温度变化和有害气体的积累，极易造成儿童脱水受伤甚至窒息致死。
为了预防儿童被锁车内而危及生命安全，设计了一种基于单片机控制的车内滞留儿童预警系统。当司机停车熄火离开后，系统通过人体红外传感器判断车内有没有滞留的儿童或其他人员，并自动通过温湿度检测模块和有害气体检测模块检测车内的环境数据；如果检测到车内的温度过高或者二氧化碳的浓度过高，车内人员存在缺氧窒息或者脱水的危险时，系统会根据设定好的程序采取措施主动解救车内被困儿童，通过现场报警模块亮起警示灯同时播放警示音以引起路过行人的注意，并通过GSM通信模块自动向提前设定好的车辆联系人的手机发送求救信息。本文设计的系统装置的体积小，可以后期加装到车辆上，性能比较稳定。
关键词：车内滞留儿童 单片机 传感器 GSM通信
ABSTRACT
With the rapid development of the automobile industry, the automobile has gradually come into the public's view. However, the poisoning and suffocation events caused by the high temperature, lack of oxygen and high concentration of harmful gases in the automobile have been happening constantly, which has aroused widespread concern of all walks of life. The statistics and classification of non traffic accident injuries in children's vehicles in the United States in recent ten years by kidsand cars show that 58% of the deaths of asphyxia caused by heat retention in children's vehicles are far higher than other types of injuries. When children are trapped in the car for a long time, due to their limited self-help ability, they can not seek outside help or open the air conditioning ventilation system and ventilation window to save themselves. With the change of temperature in the car and the accumulation of harmful gases, it is very easy to cause dehydration injury and even suffocation death.
In order to prevent children from being locked in the car and endangering their lives, a security system based on single chip microcomputer is designed. When the driver stops and stops, the system judges whether there are children or other people in the car through the human infrared sensor, and automatically monitors the environmental data in the car through the temperature and humidity detection module and the harmful gas detection module; If it is detected that the temperature in the car is too high or the concentration of carbon dioxide is too high, and the personnel in the car are in danger of hypoxia, suffocation or dehydration, the system will take measures according to the set procedures to actively rescue the trapped children in the car, light up the warning light through the on-site alarm module, and play the warning sound to attract the attention of passers-by, And through the GSM communication module, it automatically sends the rescue information to the mobile phone of the vehicle contact set in advance. The system device designed in this paper has small volume, can be installed on the vehicle later, and the performance is relatively stable.
Keywords: Children in the car singlechip sensor GSMcommunication
1 绪论
1.1 研究背景及意义
据调查统计，美国发生儿童被热死在车内的事件每年就多达38起。近年来，国内媒体也频繁地播报了孩子被遗忘于车内导致窒息而死的悲剧，......
目前，有些智能安全座椅可以避免儿童被遗忘在车内。譬如，胸带位置内置无线接收器的儿童座椅，不断的实时接收来自发射器的数据信号。汽车启动时，......
车厢属于封闭式空间，会形成小型温室效应。尤其是炎热天气，人员长时间滞留车内，温室效应造成温度愈来愈高，空气中二氧化碳含量变高，相对的氧气浓度愈来愈低。由此引发胸闷缺氧窒息，这是一种缓慢性的症状，......
首先检测车内是否有人员滞留，继而对车内温湿度和二氧化碳浓度进行实时检测，......
1.2 创新内容及拓展
本设计的创新内容是添加了远程GSM报警，有效解决了车内有人滞留造成窒息，而车外无人知晓的情况发生。可以及时将险情通知监护人，......
1.3 目标功能
本系统预期实现的功能包括：
（1）检测汽车内是否有人员滞留.....
（2）在有人情况下，实时采集影响人体舒适度的温湿度.......
（3）现场预警功能，采用声光报警......
（4）远程报警功能，由GSM模块将危险情况的说明以短信......
2 设计方案论证分析
2.1 方案需求
系统是用于特殊情况下的预警系统，因此需要对当前情景进行初步判断和深入判断。本设计针对出现人员滞留车内的情况，所以要先进行一个初步环节：探测车厢内是否有人。其次，还需要掌握使人员窒息的环境因素。最主要的原因有：过高的温湿度（使人中暑等，会加重人体虚弱程度），密闭空气中的氧气含量变得低于人体正常呼吸所求（相对的，也就是人体呼出愈来愈多的二氧化碳到空气中）。
然后，是判断当前环境因素是否能够使人员缺水或窒息。......
重中之重就是预警功能的设计，目的是让拥有汽车钥匙的人能够在长距离或者超远距离知晓是否发生危险情况。这就要求传输实时数据，......
2.2 方案比较及选择
根据方案需求，则要求使用到人员检测模块、温湿度测量模块、二氧化碳浓度测量模块和GSM无线通信模块。
人员的检测方法主要分为两种，一种是压力传感器的设计方案，多采用......
温湿度测量模块采用使用广泛的DHT11，它利用专有的温度和湿度传感......
二氧化碳浓度测量模块采用固体电解质传感器MG811，采用数字......
现如今通信技术迅猛发展，主流技术有GSM、CDMA2000、5G......
（1）Bluetooth、NFC都是近场通信技术，主要用于成本......
（2）Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络......
（3）Wi-Fi简单地说是用来传输局域网数据的，......
这些近距离无线传输设备存在一些很明显的缺点，距离限制比较大、......
（4）现今社会应用最主要的蜂窝系统就是GSM、CDMA2000、5G等。
5G通讯技术这几年发展迅猛，优点颇多，能够快速传输高质量的影音图像等数据......
GSM、CDMA2000同属于第二代传统移动通讯服务。在国内使用广泛，优点颇多，如稳定性强、通话质量高等。但是鉴于国内移动运行商（电信、移动、联通）......
GSM通讯技术与实际生活密切联系，能达到设计的要求，就选择它作为本设计的通讯方案。我们利用GSM的短信和电话功能，以信息的形式来发送报警信息......
3 系统硬件设计
3.1 系统整体设计
本设计采用STC89C52(宏晶科技公司)单片机作为主处理器，系统主要由温湿度数据采集、二氧化碳浓度数据采集、LCD1602液晶显示屏、声光报警、......系统整体原理图如图3-2所示。
图3-1 系统设计框图
图3-2 系统整体原理图
3.2 主处理器
STC89C52单片机作为主处理器，具有操作简易、技术成熟、通用性强、造价低廉的优点。系统中需要由单片机接收来自传感器测量到的数据，......
3.2.1 芯片简介
系统设计中使用了STC89C52单片机芯片，使用的是经典MCS-51内核，其主要特性如表3-1所示。
表3-1 STC89C52主要特性
| 属性 |
具体介绍 |
| 时钟选择 |
选用12时钟机器周期 |
| 工作电压范围 |
3.3V～5.5V（5V单片机） |
| 频率 |
0～40MHz，等同于普通51单片机的0～80MHz，实际工作可达48MHz |
| 片上RAM |
可供512字节存储 |
| I/O端口 |
共32个，为提高驱动能力P0/P1/P2/P3都做内部上拉处理 |
| 外部中断 |
共4个中断源，本设计采用下降沿触发中断 |
| 定时器/计数器 |
共3个16位定时/计数器(T0，T1，T2) |
| 串口中断 |
共1个，用于通信，发送数据使用 |
3.2.2 外围电路
单片机一般不是特指单独的微控制单元芯片，而是泛指单片机系统。单独的芯片没有电源驱动是无法工作的，单片机系统是指以微控制单元芯片为核心、......STC89C52最小系统如图3-3所示。
图3-3 单片机最小系统
(1)时钟电路：STC89C52芯片在正常工作时本身是无法产生时钟信号的，也就无法在程序中驱动相应的硬件按时工作。因此，需要通过起振一个外部晶体振荡器以提供时钟信号......
(2)复位电路：晶振正常起振时，复位功能需要在复位引脚输入维持至少2个......
3.3 人员检测模块
本设计采用的传感器为HC-SR501热释电人体红外传感器，模块采用超低电压工作模式。其他，如红外对管模块，......HC-SR501热释电人体红外传感器的主要性能指标如表3-2所示。
表3-2 HC-SR501的主要性能指标
| 属性 |
性能指标 |
| 产品型号 |
HC-SR501人体感应模块 |
| 工作电压范围 |
直流电压4.5～20V |
| 电平输出 |
高3.3V/低0V |
| 静态电流 |
工作电流控制小于50uA |
| 触发方式 |
L不可重复触发/H重复触发 |
| 延时时间 |
可调节范围为0.5～200S |
| 封锁时间 |
默认为2.5S，可调节范围为零点几秒～几十秒 |
| 感应角度 |
小于100度锥角 |
热释电人体红外模块HC-SR501的输出引脚接P1.5，VDD接+5V电源，GND接地。
3.4 湿温度采集模块
本设计选用了集成温湿度检测的传感器DHT11，以数字信号的形式输出，进行温湿度实时监测。......等优点。湿温度采集模块DHT11的主要性能指标如表3-3所示。
表3-3 DHT11主要性能指标
| 属性 |
性能指标 |
| 供电电压范围 |
直流电源3.3V～5.5V |
| 输出数据 |
单线数字信号 |
| 测量范围 |
温度：0～50℃，湿度：20～90%RH， |
| 测量精度 |
温度：±5℃，湿度：±5%RH， |
| 稳定性 |
一般环境下，小于±1%RH/年 |
DHT11控制引脚DATA接P1.7，VDD接+5V电源，GND接地，NC端悬空
(封装好的模块是没有这个引脚的)。
3.5 有害气体浓度数据采集模块
本设计采用的是MG811二氧化碳浓度传感器，它对CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小，具有良好的稳定性、再现性......
根据其设计原理，实际使用时，需要对模块进行3~5分钟的预热准备才能正常工作。其主要性能指标如表3-4所示。
表3-4 MQ811主要性能指标
| 参数 |
技术条件 |
| 加热电压VH |
6.0±0.1V(直流或交流) |
| 加热电阻RH |
室温下30.0±5%Ω |
| 加热电流IH |
约200mA |
| 加热功耗PH |
约1200mW |
| 使用温度Tao |
-20～50℃ |
| 储存温度Tas |
-20～70℃ |
| 输出信号EMF |
30～50mV(350～10000ppmCO2) |
二氧化碳浓度模块数据输出引脚DOUT接P1.6，VDD接+5V电源，GND接地，AOUT悬空(采用模拟输出的时候，AOUT外接ADC模块)。
3.6 液晶显示模块
本设计在开启实时监测功能时把温湿度等数据显示在液晶上，只需要两行或一行，所以采用LCD1602这款液晶显示屏。该模块仿真电路有2种，其中.......
在实物电路设计中，实现对1602的控制是将读数据引脚RS、写数据引脚RW和控制使能引脚E分别连接到单片机P3口P3.6、P3.5、P3.7，P0口直接与液晶显示器LCD......脚具体定义如表3-5所示。
表3-5 LCD1602引脚定义
| 引脚编号 |
引脚名 |
电平 |
输入/输出 |
作用 |
|
| 1 |
VSS |
GND |
电源地 |
||
| 2 |
VDD |
+VDD |
输入 |
直流电源+5V |
|
| 3 |
VEE |
输入 |
液晶显示对比度调节的偏压信号 |
||
| 4 |
RS |
0/1 |
输入 |
0：输入指令/1：输入数据 |
|
| 5 |
RW |
0/1 |
输入 |
0：向LCD1602写入指令或数据/ 1：从LCD1602读取信息 |
|
| 6 |
E/EN |
0/1 |
输入 |
使能信号，1时读取信息/0(下降沿)执行指令 |
|
| 7 |
D0 |
0/1 |
输入/输出 |
第一位数据端口Line0(最低位) |
|
| 8 |
D1 |
0/1 |
输入/输出 |
第二位数据端口Line1 |
|
| 9 |
D2 |
0/1 |
输入/输出 |
第三位数据端口Line2 |
|
| 10 |
D3 |
0/1 |
输入/输出 |
第四位数据端口Line3 |
|
| 11 |
D4 |
0/1 |
输入/输出 |
第五位数据端口Line4 |
|
| 12 |
D5 |
0/1 |
输入/输出 |
第六位数据端口Line5 |
|
| 13 |
D6 |
0/1 |
输入/输出 |
第七位数据端口Line6 |
|
| 14 |
D7 |
0/1 |
输入/输出 |
第八位数据端口Line7(最高位) |
|
| 15 |
A |
+Vcc |
输入 |
背光电源正极 |
|
| 16 |
K |
GND |
背光电源负极 |
||
3.7 GSM通信模块
本设计采用的是基于GSM通信模块TC35，它是德国西门子公司出品的一种通讯设备。主要有TC35和TC35i两种以供选择，他们之间的功能基本一致。后者是新一代GSM模块，......各部分组成情况如图3-4所示。
图3-4 TC35模块框架
GSM模块读取数据引脚RXD与单片机P3.0引脚相连，发送数据引脚TXD与P3.1引脚相连，......
3.8 现场报警模块
本设计选择蜂鸣器和LED灯模拟实景中的车子鸣笛和闪灯的现场报警功能。蜂鸣器默认使用P1.1口的P1.1。LED1~LED8由P2口控制。
4 系统软件设计
4.1 主程序设计
主程序软件流程设计如图4-1所示，预先设定好报警阈值和发送短信对象的号码，然后对各个模块进行初始化，包括：串口中断、定时器、外部中断、GSM模块初始化。......
图4-1 主程序流程图
4.2 GSM模块程序设计
4.2.1 TC35模块的AT指令集
TC35与单片机的通信协议，在TC35模块应用中就是已经规定好的AT指令集，系统中所要涉及到的一些AT指令如表4-1所示。
特别需要注意的，每条AT指令以回车符（程序中为\r\n）作为指令结束的标志。......
表4-1 部分AT指令
| AT指令 |
功能接收 |
| AT |
握手检测设备连接情况 |
| AT+EO |
重置设备RESET |
| ATD |
打电话 |
| AT+CMGF |
选择短信格式，0为PDU模式/1为Text模式 |
| AT+CMGS |
从GSM模块发送短信息 |
| AT+CMGR |
从SIM卡中读取短信息 |
| AT+CMGD |
删除SIM内存中的短信息 |
4.2.2 TC35初始化子程序
TC35的初始化包括AT握手连接、AT握手连接成功、网络正在注册、成功注册基站的判断。默认发送“AT”指令握手连接；指令“AT+CREG?”查看网络注册查询状态，.......图如下图4-2所示。
图4-2 TC35初始化流程图
4.2.3 GSM模块读写短信程序设计
本设计由单片机向GSM模块按步发送AT指令并进行判断完成读写短信操作，上表4-1中的AT基本指令可以实现TC35的不同通信功能。首先都要先利用AT指令使单片机与TC35......如图4-3所示。
图4-3 发送短信子程序流程图
其中text模式为默认通讯方案，并已初始化为“AT+CMGF=1\r\n”。text模式可以发送英文字符等，但是无法发送中文字符。可以用外部中断按键的设置来拓展功能，......
英文短信：DangerInCar，中文短信：车内有窒息危险。
（a）text英文短信模式 （b）pdu中文短信模式
图4-4 写短信子程序流程图
4.3 传感器及显示程序设计
首先对LCD1602液晶显示模块进行初始化，再对DHT11传感器模块和MG811二氧化碳浓度传感器模块初始化，由DHT11和MG811采集实时数据，由1602显示屏显示......流程图如下图4-5所示。
图4-5 检测温湿度及显示程序流程图
LCD1602的初始化设计如下图4-6(a)所示。在写入数据的时候，利用1602的工作特性定义两个函数，分别用来写入字符数据和命令数据，程序设计如下图4-6(b)和图4-6(c)所示。......
（a）1602初始化程序 （b）1602写数据程序 （c）1602写命令程序
图4-6 LCD1602相关程序流程图
5 仿真调试与分析
5.1 结果分析
（1）系统上电后没有检测到有人，液晶显示屏LCD1602如图5-1所示显示。系统设计的是先检测到人的存在，然后再检测温湿度数据和CO2浓度是否超标。因此，......
图5-1 人体红外感应仿真
（2）系统上电后，液晶显示屏LCD1602显示情况如图5-2所示：温度31℃，湿度39%，二氧化碳浓度未超标（normal）。此时系统中的GSM模块TC35自随着主程序设备初始化后，.....
图5-2 温湿度及CO2数据正常仿真
（3）系统上电后，温湿度超标的情况下，液晶显示屏显示如图5-3所示。温度32℃超出设定温度31℃，湿度39%小于设定湿度40%，二氧化碳浓度显示normal未超标。......
图5-3 温度值超标仿真
（4）系统检测到温湿度正常，二氧化碳浓度超标的情况下，系统也会自动采取措施，仿真结果如下图5-4所示。
图5-4 CO2浓度超标仿真
5.2 设计可完善的地方
（1）对于人员检测部分，方案众多，当初只是选择了最为简单的人体红外检测的方法。因为本设计只是提供一种解决方案，实际生活中的情况较为复杂，......
（2）设计中的液晶显示屏为LCD1602，是显示16×2个ASCII码，显示字符个数、字符库都有限。然而实际生活中，后面完善设计可能需要拓展功能来显示于液晶屏上，......
6 总结与展望
6.1 总结
经过这几个月的调试，最终实现了基于单片机的车载滞留儿童安防系统的设计。本文对系统产生的背景、传感器模块的采用、系统硬件设计电路、......
本车载滞留儿童安防系统，采用STC89C52单片机I/O端口利用高精度的温湿度传感器和二氧化碳传感器采集数据，通过人体红外传感器对人员是否滞留进行判断，......
6.2 展望
本设计中采用的是二氧化碳浓度模块，具体值监测功能没有使用。根据更高需求，添加一个模拟量输出检测程序就可以实时显示具体浓度数值。不过这一标准也不是正常工作情况下能够用的了的，这需要进行一定的数据标定。该二氧化碳浓度模块MG811生产设计时也是进行了一次浓度标定的，......
本设计中除了人体检测，还采用了温湿度检测和二氧化碳浓度检测。由于连接了GSM远程通信模块，可以将传感器模块设置成单独工作或者添加其他传感器，......
仿真调试时间紧张，而这个阶段是比较枯燥的，能静下心来十分重要。......
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