基于STC15W408AD單片機的車載新型智能窗設計

王家豪，繩 鵬，吳 琦，王欽正

（合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230002）

據環(huán)保專家介紹，目前，國家對汽車車內空氣質量未頒布標準，汽車出廠合格證主要針對車子的機械安全性能，即便涉及環(huán)保問題也是指尾氣排放標準，并不涉及車內空氣質量。近幾年來，德國、俄羅斯等國相繼頒布了車內空氣質量標準，美國、日本、韓國等國也采用科學方法控制車內空氣質量。國家環(huán)境分析測試中心專家透露，去年對1 000輛在2003-01—03間生產的汽車，進行了為期2個半月的檢測，其中竟有高達97%的車存在車內空氣污染。這比2004年調查的37%的家庭裝修存在室內污染高出許多。拿到新車之后，可以采用一些方法來進行治理：可采用打開汽車窗通風除有害氣體，雖說方法簡單，但無論從成本上或是效果上來看，綜合效應得分不低，同時因為操作方便，也是被車主采用的最普遍的除味方法。當車窗緊閉時，狹小的空間使得異味變重達飽和狀態(tài)，開窗透氣使空氣流通，動作簡單且效果明顯。當汽車在冬天開空調或者是夏天被日曬后，車內難聞氣味都變得更加明顯。因為甲醛和苯在溫度高于30℃的時候釋放量會隨之增大，所以通風散熱確實是個可行的方法。

該設計由STC15W408AD單片機，雨水檢測模塊，CO有害氣體檢測模塊，光線傳感器，GSM通信模塊，電機驅動模塊組成，具有“自動檢測車內有害氣體濃度，及時以短信形式向車主反饋”的功能，是一款“濃度超標并能夠自動打開車窗”的新型智能車窗。

1 系統(tǒng)總體設計方案及各模塊單元介紹

1.1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)由STC15W408AD單片機和以上各模塊組成，這種型號的單片機為增強8051CPU單時鐘／機器周期，速度比普通8051快8～12倍，片內集成512字節(jié)的SRAM，ISP/IAP，8通道10位高速ADC，速度可選30萬次/秒，3路PWM還可當3路DA使用，共3通道捕獲/比較單元。價格便宜，容易購買，資料豐富，使用簡便。在系統(tǒng)中由它進行對各個模塊的數據采集和控制，傳感器采集到的數據由內部的變送器或者調理電路轉換成標準的電信號，模擬量（0～5 V，4～20 mA），數字量，傳送到單片機的相應的引腳，單片機在內部進行信號分析處理，若滿足一定的條件則與TC35手機模塊通過AT指令形式通信，并實時地把系統(tǒng)有關的各個信息傳送到液晶屏上顯示，和蜂鳴器、報警燈響應。為了減少材料的損耗，減輕布線的困難，該系統(tǒng)采用了軟硬件結合的方式，智能調節(jié)車內環(huán)境情況，并檢測危險氣體，防止事故的發(fā)生，該系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

圖2 粉塵傳感器原理示意圖

1.2 各個模塊單元介紹

1.2.1 PM2.5傳感器

ZPH01粉塵傳感器，工作電壓范圍5 VDC，工作電流小于等于150 mA，工作環(huán)境為0～50℃。其檢測原理是，加熱源對位于其中的粉塵顆粒加熱，發(fā)射光源照射之后由接收器接收，再轉化為電信號并輸出。它有5個引腳，PIN1控制腳，PIN2輸出腳（OUT2，RXD，PM2.5），PIN3電源正，PIN4輸出腳（OUT1，TXD），PIN5電源地。粉塵傳感器工作原理如圖2所示。

分析說明，在粉塵傳感器中內置一個加熱器，加熱引起氣流上升使外部空氣流進傳感器內部，從而可以檢驗香煙、房屋灰塵、花粉等。控制腳的腳位為輸出模式控制（懸空為PWM模式，GND為串口模式），OUT2腳的串口模式下為RXD，PWM模式下為輸出腳，OUT1腳的串口模式下為TXD。

1.2.2 光敏電阻模塊

使用的引腳是：CCP1，ADC0，P1.0。

功能：光線亮度檢測,光線亮度傳感器。

模塊特色：比較器輸出，信號干凈，波形好，驅動能力強，超過15 mA；配可調電位器可以調節(jié)檢測光線亮度。輸出形式：數字開關量輸出（0和1）；使用寬電壓LM393比較器。

模塊使用說明：①光敏電阻模塊對環(huán)境光線最敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的光線的亮度，觸發(fā)單片機或繼電器模塊等；②模塊在環(huán)境光線亮度達不到設定閾值時，DO端輸出高電平，當外界環(huán)境光線亮度超過設定閾值時，DO端輸出低電平；③DO輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的光線亮度改變。

1.2.3 MQ7 CO傳感器模塊

主要芯片：LM393、MQ-7一氧化碳傳感器模塊。

工作電壓：DC 3.0～5.5 V，使用引腳P1.2。具體為：①雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）；②TTL輸出有效信號為低電平，可直接接單片機IO口；③模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高，二者為正比關系；④對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。

1.2.4 溫濕度傳感器DHT11

使用P1.3口：sbitDQ =P1^3；

引腳介紹：PIN1：VDD供電電壓3.3～5 VDC；PIN2：串行數據，單總線；PIN3：NC； PIN4：接地，微處理器DHT11之間的通訊和同步采用單總線數據格式，一次通訊時間4 ms左右。具體格式在下面，流程如下：一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。

8位濕度整數8位溫度小數8位溫度整數。

數據傳送正確時校驗和數據等于8 bit濕度整數＋8 bit溫度整數。

電氣特性：VDD＝5 V，T＝25℃。

用戶MCU發(fā)送一次信號后，從低功耗模式轉化為高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40 bit數據，并觸發(fā)一次信號采集，采集數據后轉化為低速模式。通訊過程見圖3.

主機空閑時為高電平，拉低18 us以后保證了DHT11能接受到并等待響應信號，DHT11接收到主機的開始信號后等待主機開始信號結束然后發(fā)送80 us低電平響應信號，主機發(fā)送開始信號結束后延時20～40 us等待DHTII的響應信號。數字0信號電平變化圖和通訊初始化要求圖分別見圖4和圖5.

圖3 通訊過程圖

圖4 數字0信號電平變化圖

圖5 通訊初始化要求圖

1.2.5 雨滴傳感器模塊

使用引腳；P1.1CCP0，ADC1；

引腳：PIN1：VCC，PIN2：V0，PIN：GND.

使用的Arduino模塊原理：Arduino機器人套件，雨滴，下雨傳感器，可用于各種天氣狀況的監(jiān)測，并轉成數定信號和AO輸出，主要關注以下幾點：①傳感器采用高品質FR-04雙面材料，超大面積5.0×4.0 cm，并用鍍鎳處理表面，具有對抗氧化，導電性，及壽命方面更優(yōu)越的性能；②比較器輸出，信號干凈，波形好，驅動能力強，超過15 mA；③配電位器調節(jié)靈敏度；④工作電壓3.3～5 V；⑤輸出形式，數字開關量輸出（0和1）和模擬量AO電壓輸出；⑥使用寬電壓LM393（LM393數據手冊）比較器。

1.2.6 LM298電機模塊

使用引腳：P5.4 RST，MCLKO P5.5CAP，內部包含4路邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，內含兩個高電壓大電流H橋雙全橋式驅動器，接收標準的TTL電平，可驅動46 V，2A以下的電機。

1.2.7 GSM通信模塊

TC35是Siemens公司新一代無線通信GSM模塊，其主要由GSM基帶處理器，GSM無線模塊，電源模塊（ASIC），閃存，ZIF連接器，天線接口6部分組成。TC35的基本性能：傳輸數字和音頻信號。單電壓供電313～515 V。低功耗：處于睡眠狀態(tài)時僅310 mA。支持EGSM900和GSM1800雙頻。GSM類型：小型移動站。傳輸功率：EGSM900為2 W；GSM1800為1 W。支持語音、數據、短消息和傳真服務。支持3種語音編碼的傳送速率。短信息服務：文本和數據協(xié)議單元模式。傳輸速率：214 kB，418kB，916 kB。傳真：第3組，第1類，第2類。大小： 541 533 636 185 mm。標準協(xié)議的認證。采用GSM Phase2?2+標準。SIM卡：由連接界面從外部連接。SIM卡支持，3 V、118 V（118 V需要分開檢測，并且在GSM 11110下合法)。語音接口，模擬（麥克風，耳機，免提方式）。界面接口，RS232（CMOS標準），AT控制下的雙總線（數據，命令）。電話本：通過SIM卡實現(xiàn)。TC35的復位：通過AT命令或者Power Down信號實現(xiàn)復位。可選波特率：300 bs～115 kbs。自動波特范圍：112～115 kbs。軟件下載：RS232或者SIM卡。時鐘：321 768 kHz。

2 硬件設計

各個模塊的引腳使用情況已經在第1部分論述，ZPH01粉塵傳感器模塊僅使用它的TXD引腳與單片機進行通信，同時需要提供5 V電源電壓，光敏電阻和雨水檢測模塊的原理相同，在這里我們都是用D0引腳輸出數字量，以提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，溫度濕度模塊DHT11使用DATA引腳向單片機的P1.3/ADC3/MOSI引腳傳送數據，單片機在通過軟件進行校驗確保數據正確。

圖6 系統(tǒng)的整體硬件連接

圖7 主程序流程圖

圖8 中斷服務程序流程圖

P1.4 P1.5這2個引腳的開關為限位開關，用來手動控制窗戶的開閉，其中P1.4為打開，P1.5為關閉。GSM模塊在與單片機相連時只需要用到RXD模塊接受單片機發(fā)來的AT指令和數據。而設計中用到的LCD液晶顯示屏NOKIA 5100的BL背光引腳，RST復位引腳和電源引腳都接VCC，而使能信號CE，數據信號DIN，時鐘信號CLK等都受單片機控制。電機驅動模塊LM298的IN1和IN2引腳為運動控制引腳，控制電機的正轉和反轉，輸出引腳OUT1和OUT2，要加上鉗位二極管1N4007，參考電源端接VCC，則系統(tǒng)的整體硬件連接如圖6所示。

3 軟件設計

采用keil uvision開發(fā)軟件進行編程、下載、調試，使用stc-isp-15xx-v6.80軟件和51單片機程序下載燒寫器將編寫好的程序下載到單片機中，在設計中，對STC15W408AD單片機進行編程，實時地進行信號分析，采集，計算和處理的工作，通過電機驅動模塊控制電機的正常運行，在這個短信模塊中使用了兩條 AT指令，即 AT+CMGF=?以及AT+CMGS=?,用Keil C51實現(xiàn)也比較容易。主程序：首先單片機進行延時等待GSM注冊完成，依次讀取溫度和濕度數據并顯示，如果CO濃度超標，則短信提醒，開窗通風，蜂鳴器響，指示燈亮，當窗戶處于關閉狀態(tài)時，若室內有害氣體超標且是白天不下雨，則自動開窗通風，調節(jié)室內環(huán)境。中斷服務程序：主要用于外部中斷處理溫濕度傳感器DHT11的數據信息，首先通過串口接收1個數據，判斷是否為0xff，再接受一個判斷是否為0x18，再進行求和校驗，如果校驗成功，計算并收集數據。主程序和中斷服務程序的流程圖分別如圖7、圖8所示。

4 結束語

該系統(tǒng)設計通過調試、模擬實際環(huán)境現(xiàn)場測試，達到了要求的功能，對環(huán)境各個參數檢測敏感，響應實時，解決了車內環(huán)境智能控制的問題，十分人性化，而且成本較低，安裝便捷，不論是作為獨立的系統(tǒng)，還是輔助系統(tǒng)，都能夠在各類汽車上被廣泛應用，市場需求大，社會效益好。