基于51单片机设计的智能车载安全系统

毕克伟，孟祥佳

（山东青年政治学院 信息工程学院，山东 济南 250103）

0 引 言

有数据显示，截至2019年6月，我国机动车保有量[1]达3.4亿辆、汽车2.5亿辆已达3.4亿辆。伴随着人均汽车保有量的增加，人们在享用汽车带来的便捷的同时安全问题也不容忽视。

夜间行车时，人们常对夜间远光灯使用不当的车辆不胜其烦，智能远光灯应对系统可对过度强光做出反应，自动翻转汽车护目遮阳板，以减弱强光对驾驶者的驾驶干扰。炎炎夏日，不少司机朋友常常会在车内开空调睡觉，但是由汽车的密封性以及开空调过程中产生的一氧化碳造成车内人员窒息甚至死亡的新闻屡见不鲜。该CO预防系统会随汽车内空调装置开启，时刻检测车内CO浓度值，在将达到人体所承受最大度CO浓度达292.5 mg/m3（235 ppm）时[2]，进行报警提醒车内人员，对车内进行马达自动换气操作。家长遗留在车内的孩子问题早已成为社会热点，严重时可造成不必要的过失甚至死亡。当汽车熄火四门紧闭时，车内人员遗留检测系统开启，通过红外传感器感应达到监测车内是否有人员遗留，若有则通过GSM通信模块发送位置短信至车主，进而采取营救措施。行车途中，难免遇到想不到的意外情况，这时可通过该系统的SOS一键求救功能发送短信至紧急联系人进行求救。

综上所述智能车载安全系统的设计符合市场安全需求，具有较强的实用价值和市场前景。

1 系统硬件电路设计

1.1 系统结构

1.1.1 智能远光灯应对系统结构

根据功能要求，智能远光灯应对系统由单片机、光敏电阻传感器模块和步进电机电路构成。系统结构如图1所示。

图1 智能远光灯应对系统结构

1.1.2 CO预防系统结构

根据功能要求，CO预防系统由单片机、CO传感器模块、马达自动换气装置电路和蜂鸣器警报提示电路构成，如图2所示。

1.1.3 车内人员遗留检测系统结构

根据功能要求，车内人员遗留检测系统由单片机、红外线感应模块和GSM通信模块构成，系统结构如图3所示。

图2 CO预防系统结构

图3 车内人员遗留系统结构

1.1.4 SOS一键求救

根据功能要求，SOS一键呼救系统由单片机、GPS定位模块和GSM通信模块构成SOS一键呼救系统。该系统结构如图4所示。

图4 SOS一键求救系统结构

2 工作原理

本系统选用STC89C51单片机作为控制核心。STC89C51芯片内含有FLASH程序储存器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模块，其完全兼容普通的51单片机，还做了很多改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使STC89C51 成为众多嵌入式控制应用系统的控制中枢[3]。单片机最小系统如图5所示。各个引脚分别连接温度传感器、红外监测传感器、光照强度传感器和按键电路和GSM通信电路。

图5 单片机最小系统

2.1 智能远光灯应对系统工作原理

该系统通过感光元件控制12 V/5 A步进电机（图6为步进电机模块图）来回转动，从而达到控制翻转汽车护目遮阳板的目的。光敏电阻传感器是一种特殊的电阻，简称光电阻，又名光导管，它利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器。它的电阻值和光线的强弱有直接关系，光强度增加，则电阻减小；光强度减小，则电阻增大。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降[4]。光敏电阻附有机械调动螺旋装置可预先设定阈值LX0，当光照强度一旦超过设置的阈值LX0，其阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大，达到导通状态。利用该光照强度感应元件，控制中枢（单片机芯片）发送高电平信号至步进电机，步进电机正转带动汽车护目遮阳板下降；此时若光照强度小于设定阈值LX0，控制中枢发送低电平信号至步进电机，反转带动汽车护目遮阳板上升。

图6 步进电机模块

步进电机收到单片机传递的电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，其位移量或线位移量与脉冲成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步[5]。此系统内步进电机来回只接收2个脉冲：

（1）光照强度大于设定阈值；

（2）光照强度小于设定阈值，实现正反转操作。

2.2 一氧化碳检测系统原理

半导体CO气体传感器的基本材料时氧化物半导体，使气体吸附于半导体表面，利用由此产生的电导率变化以此来判断CO气体浓度大小[6]。该装置附有机械调动装置，可手动设置阈值c1。当CO浓度大于设定阈值c1时，CO传感器产生电信号传递给中枢系统（单片机），再由单片机传递信号至蜂鸣器（图7为蜂鸣器报警电路）与马达电动机，进行警报与换气进程。

图7 蜂鸣器报警电路

2.3 智能人员遗留检测系统原理

2.3.1 红外传感器检测模块

该模块是系统的监测单元，在红外光照射条件下，原件的温度发生变化从而使表面极化，电荷失去平衡，将引起电荷变化而以电压或电流形式输出至传输中枢（单片机）[7]，由传输中枢将将电信号传递至GSM通信模块。该模块包含RF天线与接受模块，可实现车内人员遗留短信的发送至监护人。监护人收到的手机短信如图8所示。

2.3.2 GPS定位模块

GPS定位主要实现遗留人员的准确位置，便于监护人方便找到遗留人员。该系统采用AIR208模块，兼容SIM900A指令、省电、可满足短信发送需求，GPS通信模块如图9所示。GSM模块与单片机之间的通信采用UART串行口通信，单片机可直接控制GSM模块。

图8 监护人收到的手机短信

图9 GPS通信模块

2.4 单片机SOS一键求救系统

该系统由按键模块机械产生信号传递给单片机，单片机将电信号，传递至GPS模块，GPS模块采集位置信息，将产生的位置信息由电信号转换为数字信号传递至GSM通信模块，通信模块将传来的位置信息发送至设定预留手机号码，进行求救[8]。预留手机接收到救助短信及位置信息如图10所示。

图10 预留手机接收到救助短信及位置信息

3 功能测试及结果分析

通过对各模块与各系统之间的协调，各系统均能达到设计目的，并且能够流畅运行遵循设计系统结构流程运行，整个系统以STC89C51单片机为控制中枢展开，子系统协调配合工作，各司其职。智能车载安全系统经过测试可实现如下功能。

（1）若远光的亮度值[9]大于106 cd/m2，智能远光灯应对系统正常启动，自动翻下汽车护目遮阳板，若光照强度小于该值，自动翻上汽车护目遮阳板。

（2）当车内开空调且四门闭合时，CO检测系统开启，若CO浓度高于292.5 mg/m3（235 ppm）时，CO警报器正常报警，并进行排气设施的运作。

（3）当汽车熄火且车门闭合时，车内人员遗留监测系统开启，即刻监测车内人员是否遗留，若存在人员遗留，该系统将遗留信息和位置信息发送至车主手机。

（4）通过按键模块，可实现SOS一键呼救功能，将求救以及位置信息以短信的形式发送至紧急联系人求救。

4 结 语

本文设计并实现了一种基于51单片机设计的智能车载安全系统，包括智能远光灯应对子系统、智能车内人员遗留检测子系统、CO预防子系统和SOS一键呼救子系统。实验表明，本文系统可对常见监测指标（CO浓度、红外线、光敏强度传感器）的进行智能监测，有效解决了驾乘人员的部分安全问题，尤其是当车辆突发意外危险情况时能为驾乘人员提供一定的帮助，其是针对驾乘人员打造的一款贴心的安全辅助保障产品。