基于单片机的车内环境优化系统设计与实现

董兴，李仕林，陈亚光

（辽宁科技学院电气与信息工程学院，辽宁本溪，117000）

0 引言

科技的进步和经济的发展，使人们的物质生活越来越丰富。转眼间，汽车已成为人们生活中必不可少的代步工具。为了避免粗心车主将幼童遗留车内，同时也为了给车主提供健康舒适的乘车空间，设计一个车内环境优化系统解决人们的实际问题。

图1 系统框图

1 系统组成

车内环境优化系统以STC89C52RC单片机为控制单元，检测车内是否有人、车内的温度及环境气体成分。系统框图如图1所示，主要包括温度采集模块、空气质量采集模块、通信模块、液晶显示模块等。

系统利用人体红外感应模块检测车内是否有人，利用温度传感器采集车内的温度，利用空气质量检测模块采集车内空气质量参数。当车内出现异常情况时，通过单片机控制GSM通信模块发送报警信息，并可以利用物联网模块通过手机APP控制继电器控制空气净化器对车内空气进行净化。

2 系统硬件设计与实现

硬件设计时，将Proteus仿真软件结合KEIL软件进行联合仿真调试，对部分电路进行仿真，实现了预期结果。部分硬件电路仿真图如图2所示，包括单片机最小系统、液晶显示、温度检测、空气质量检测、按键等。

■2.1 检测是否有人的设计与实现

车门落锁后，利用人体红外感应模块HC-SR501检测车内是否有人，接在单片机P3.2口，如图2所示。人体红外感应模块HC-SR501采用德国原装进口探头设计，通电后有一分钟左右的初始化时间，具有感应封锁时间短，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式。该模块工作电压范围宽，直流电压4.5 V ～20V，静态工作电流小于50μA。检测时，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。使用该模块时应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境要尽量避免流动的风，风也会对模块工作造成干扰。

■2.2 检测温度的设计与实现

采用温度传感器DS18B20进行实时温度检测，接在单片机P3.3口，如图2所示。温度传感器DS18B20将半导体温敏器件、A/D 转化器、存储器等做在一个集成电路芯片上，属于一款单总线数字温度传感器，传感器直接输出的就是温度信号数字值，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点。系统温度检测后通过液晶显示屏LCD1602显示。LCD1602显示屏采用16脚接口，液晶显示2行字符，分4位和8位数据传输方式，逻辑工作电压4.5～5.5V。调试结果如图3左侧所示，第一行Set是温度限值，第二行Temp是实时温度。温度超过限值时可以通过GSM模块报警。系统设计了修改温度限值的按键，可以根据季节或实际环境不同来通过按键修改温度限值。

图3 液晶显示

■2.3 检测空气质量的设计与实现

车内空气质量检测采用空气质量模块ZP01，该模块中先进的片式厚膜半导体气敏元件对甲醛、苯、一氧化碳、氨气、氢气、酒精、香烟烟雾等有机挥发气体具有极高的灵敏度，初次上电使用需要预热5分钟以上。空气质量模块ZP01有四个引脚，其中GND为输入电源负极，5V为输入电源正极，A、B为输出信号。根据输出信号的电压不同，空气质量模块ZP01污染等级分为0～3级，数字越大，污染越严重。

硬件设计中，空气质量模块接在单片机P1.0口和1.1口，如图2所示，用2个LED灯模拟输出，空气质量数据通过液晶显示屏LCD1602显示。硬件调试结果如图3右侧所示，第二行显示污染信号等级为1级。空气质量模块使用时尤其注意电压不能超过5.5V，否则会导致模块不可逆转的损坏。

■2.4 通信模块设计与实现

系统通信部分包括GSM模块和手机APP。

当车内出现异常情况时，可以通过GSM模块SIM900A给车主发短信或打电话报警，发短信报警如图4所示。使用模块SIM900A时，首先要检测模块是否注册到网络，是否读到SIM卡，该模块供电电压需要5V，电流至少需要1.5A；待机电流在40mA左右，可以进行低功耗设置，休眠状态时电流在10mA左右。调试中发现需要单独单元供电时，数据传输比较稳定，但要注意与系统共地问题。

图4 短信报警

车内空气污染严重报警时，车主可以通过手机APP控制继电器开启空气净化器对车内空气进行净化，如图5所示，这部分功能通过物联网模块跨阵M4实现。物联网模块跨阵M4输入电压选择5V，工作功率小于0.5W。它带有一个继电器，可以通过手机进行远程控制，只需连入可访问外网的WIFI，即手机无需和跨阵M4处于同一个WIFI环境下。在手机上控制相应按钮，控制继电器闭合和断开，继电器输出电压5V，可以控制空气净化器工作。

图5 手机APP控制界面

3 系统软件设计与实现

系统软件设计主要包括人体红外感应、液晶显示、温度检测、空气质量检测和GSM通信等。与单片机相关的软件采用C语言进行编程，GSM通信部分采用AT指令。系统上电后，循环检测人体红外感应模块、温度传感器及空气质量，当出现异常情况后，系统报警；否则继续检测，系统主程序流程图如图6所示。

图6 流程图

4 结束语

通过系统调试，车内环境优化系统可以检测是否有人，解决幼儿遗留车内问题；实时温度检测，当温度超限时，系统会发送报警信息提醒车主调节车内温度；检测车内空气质量，超限后通过手机APP控制继电器开启空气净化器净化空气，减少因环境空气问题给车内人员造成不适。系统体积小，测量准确，性价比较高，具有一定的推广使用价值。