基于單片機的車載新型智能窗系統設計

繩 鵬，王國力，佟孟澤，譚 斌

（合肥工業大學 安徽 合肥 230002）

1 引言

近幾年來，德國、俄羅斯等國家相繼頒布了車內空氣質量標準，美國、日本、韓國等國家也采用科學方法控制車內空氣質量。國家環境分析測試中心專家去年對1000輛在進行了為期2個半月的檢測，其中竟有高達97%的車存在車內空氣污染。這調查的37%的家庭裝修存在室內污染高出許多。車窗緊閉時車內狹小的空間會使得異味變重達飽和狀態，尤其汽車在冬天開空調后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。通常有人的時候可采用打開汽車窗通風除有害氣體；當車內無人時車窗緊閉時，雖然可以采用通風機使汽車空氣流通，但是通風機耗能較大需要外加電源，而且不能長時間工作。因此，開窗透氣使空氣流通，動作簡單、節能環保、效果明顯，所以開窗通風散熱確實是個可行的方法。因此設計一種款基于單片機的車載新型智能窗系統，監測車內外環境，實現智能開窗通風的智能系統。該系統具有自動檢測車內有害氣體濃度以及車外環境，及時以短信及顯示屏和警報提醒形式向車主反饋濃度超標并能夠自動打開車窗升起通氣的防盜窗的功能。

2 系統總體設計方案

該系統由51單片機，濕度檢測模塊，PM2.5檢測模塊，有害氣體檢測模塊，溫度檢測模塊，光線傳感器，GSM通信模塊，電機驅動模塊，液晶顯示模塊組成。

該系統STC15W408AS單片機進行控制、數據處理，該單片機自帶ADC模塊和比較器模塊而且指令簡單，易學易懂，外圍電路簡單，硬件設計方便，i/o口操作簡單，無方向寄存器，資源豐富，價格便宜、容易購買，資料豐富容易查到，程序燒寫簡單，容易操作等優點。在系統中該單片機驅動并控制濕度檢測模塊，PM2.5檢測模塊、有害氣體檢測模塊、溫度檢測模塊、光線傳感器模塊進行數據采集，再將傳感器采集到的數據進行數據處理，根據處理后的數據和相應的邏輯控制液晶顯示模塊、電機驅動模塊、GSM通信模塊、警報提醒模塊進行工作，提醒車主車內外環境和無人時開窗升起防盜窗通氣的操作。為了減少該系統電能損耗，該設計采用軟、硬件結合的方式，使電機驅動模塊、GSM通信模塊在無危險和車工作時處于睡眠狀態，當有危險存在和無人時，單片機喚醒該系統的電機驅動模塊、GSM通信模塊進行工作，達到自動檢測車內有害氣體濃度以及車外環境，監測此時車窗若處于打開狀態，則關閉車窗，并及時以短信及顯示屏和警報提醒形式向車主反饋濃度超標并能夠自動打開車窗升起通氣的防盜窗的功能。該系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

該系統工作原理：在檢測車內外環境工作中，微處理器實時進行控制濕度檢測模塊檢測車外環境是否下雨下雪及濕度大小，控制PM2.5檢測模塊檢測車外PM2.5濃度以及灰塵濃度，控制光線傳感器模塊檢測白天和晚上，控制有害氣體檢測模塊檢測車內甲醛和苯濃度，控制溫度檢測模塊檢測車內外溫度，并進行相應的數據處理，根據處理后的數據和相應的邏輯控制液晶顯示模塊進行顯示及警報提醒模塊是否工作，提醒車主車內外環境狀況是否進行開窗通氣，在無人時且車內空氣質量差，同時若車外環境適合開窗時（即車內空氣質量差、車外無下雨下雪、白天、PM2.5濃度適合）單片機喚醒該系統的電機驅動模塊、GSM通信模塊進行工作，否則系統監測此時車窗若處于打開狀態，則關閉車窗，及時以短信及警報提醒形式向車主反饋濃度超標并能夠自動打開車窗升起通氣的防盜窗的功能。

圖2 主單片機原理圖

3 系統硬件設計

基于單片機的車載新型智能窗系統主要由低功耗易操作微處理器51單片機、DHT11濕度檢測模塊，溫度檢測模塊，ZPH01PM2.5檢測模塊、MQ-7有害氣體檢測模塊，光線傳感器，A6 GSM通信模塊，L298HN直流電機驅動模塊，NOKIA5100液晶顯示模塊組成。具體單片機原理圖如圖2所示。

其中，L298HN是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A；額定功率25W。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機，用戶可以放心驅動汽車上控制車窗的直流電動機。

4 系統軟件設計

基于單片機的車載新型智能窗系統軟件設計：采用keil uvision4開發軟件對硬件設計進行緊密編程、編譯、下載、調試工作，使用stc-isp-15xx-v6.80軟件和51單片機程序下載STC燒寫器將編寫好的程序下載到單片機中。在該系統的設計中，對STC15W408AS單片機進行編程，實時控制濕度檢測模塊、PM2.5檢測模塊、有害氣體檢測模塊、溫度檢測模塊、光線傳感器模塊進行數據采集，再將傳感器采集到的數據進行數據處理，根據處理后的數據和相應的邏輯控制液晶顯示模塊、電機驅動模塊、GSM通信模塊、警報提醒模塊進行工作，提醒車主車內外環境狀況是否進行開窗通氣，在無人時且車內空氣質量差時，車外環境適合開窗時，即車內空氣質量差、車外無下雨下雪、白天、PM2.5濃度適合，單片機喚醒該系統的電機驅動模塊、GSM通信模塊進行工作，及時以短信及警報提醒形式向車主反饋濃度超標并能夠自動打開車窗升起通氣的防盜窗的功能。單片機程序設計框圖如圖3所示。

圖3 單片機程序設計框圖

5 結語

該系統設計通過調試、模擬、實際環境現場測試，測試結果表明：該系統基本達到了設計要求和功能，實現了車內外環境智能監測及車窗智能控制，在一定程度上可以改變車內空氣環境質量。更加完善了汽車的智能控制，提高了人們汽車生活方便及車內空氣質量。而且采用軟硬件結合的方式，成本較低，安裝便捷，低能耗。如今汽車市場龐大，車內空氣環境急劇需要改變，產品市場需求量大，具有明顯的社會效益。