一種汽車內部智能環境檢測系統的設計與實現

徐海銘　謝錦濤

【摘 要】提出一種能夠對汽車內部環境進行檢測的智能化系統，該系統通過傳感器，采集車內溫度、濕度、二氧化碳濃度，并對人體舒適度進行評價，進而控制相應的智能電機系統對車窗等進行智能控制。系統在實驗平臺進行測試和驗證，效果良好。

【關鍵詞】汽車;環境檢測;智能化

中圖分類號： U463.6文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）27-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.010

【Abstract】This paper puts forward an intelligent system which can detect the internal environment of automobile. The system collects the temperature， humidity and carbon dioxide concentration of automobile through sensors， and evaluates the comfort level of human body， and then controls the corresponding intelligent motor system to control the window intelligently. The system is tested and verified on the experimental platform， and it works very well.

【Key words】Automobile; Environment detection; Intelligent

0 引言

隨著汽車的智能化發展，內部環境檢測成為汽車的設計關注的熱點之一，但是當前的汽車多數沒有提供合理、便捷、智能的內部環境檢測方案。本文從實際出發，提出一種基于單片機設計的汽車內部智能環境檢測系統，系統通過溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器實現對信息的采集，最終通過單片機實現車載界面告警顯示以及電機控制。系統在實驗平臺中測試正常，有較好的應用性能。

1 整體設計

系統主要分為控制模塊、檢測模塊和處理模塊。為了提高開發效率和節省成本，此處采用STC89C51單片機作為中心數據控制器，采用11.0592MHZ晶振工作，并通過車載電源5V直流電供電。溫度傳感器采用PT100熱電阻采集模塊，其可通過隔離的485通訊接口與RS-485局域控制網組網連接，RS-485最多可以允許32個PT100熱電阻采集模塊掛在同一總線上，這提供了傳感器多點部署提高溫度可信度的實現方式。PT100工作溫度可以在工業級的-40°C-85°C，滿足設計的需要。二氧化碳傳感器則采用MG811，該傳感器對二氧化碳有很好的靈敏度和選擇性，能適應不同環境下的數據采集。為了實現智能化，系統采用28BYJ-48實現對汽車車窗的控制。28BYJ-48是一種8拍驅動、步距角5.625°的可控電機，供電電源也采用直流5V電源，可以采用ULN2003作為驅動。處理模塊則需要將前序兩個模塊的處理結果反饋給電機進行控制，同時實現在車載屏幕上的多樣顯示。為了提高顯示性能和穩定性，系統通過STM32F439結合嵌入式實時操作系統uC/OS-II。uC/OS-II可以實現多線程多任務同時處理，同時具有可以忽略不計的中斷停用時間，切換任務快速的性能可以滿足汽車車載互聯網平臺底層對實時性的要求。

1.1 控制模塊設計

單片機主要處理分為三個部分，一是采集溫濕度數據，二是控制電機進行車窗的聯動控制，三是進行數據傳輸和顯示。28BYJ-48兩相四線步進電機以8拍方式工作，則每個脈沖旋轉0.9°，即每旋轉一圈需要400個脈沖信號來勵磁。步進電機的正、反轉由勵磁脈沖產生的順序來控制。電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，單片機根據采集結果分析后給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。接通電源后如果驅動器燈亮，但是無法控制電機旋轉，可以考慮控制部分驅動能力不足或者驅動器所設置的驅動電流不夠。在實驗開發板（L298N）中邏輯輸入IN1～IN4分別與單片機的控制引腳相連，輸出A和輸出B（OUT1～OUT4）分別與電機的A、-A、B、-B相連。而針對信息處理傳輸模塊，為了提高系統的穩定性，系統采用藍牙傳輸。HC-05 藍牙串口主從一體 AT是當前比較常見的藍牙通信處理模塊，其提供了成熟的AT命令，可以節省開發成本提高開發效率。HC-05只支持一種串口數據格式（數據位8 位，停止位1 位，無校驗位，無流控制），在單片機串口設置完畢后，按住按鍵或EN腳拉高，此時發現板件上紅燈快閃，該模塊處于待命可通訊狀態。

1.2 檢測模塊設計

按照2012年實施的《乘用車內空氣質量評價指南》和結合實際車載環境系統將二氧化碳的閾值設置為0.1%。在與單片機的電路設計中，系統實現TTL電平信號，當TTL輸出為低電平時表示此時濃度超標，輸出相應的紅色指示燈，并將數據傳輸給單片機。在數據的處理上，系統模擬電壓范圍為0-2V，濃度越低電壓越高，當環境情況發生變化時，系統將輸出電壓信號變化并將變化量轉換為對應電壓輸出變化量。就傳感器的指標而言，二氧化碳氣體的測試濃度范圍可以到10000×10-6。單片機的DOUT輸出數字信號直接與傳感器相連，濃度變大則輸出低電平，單片機將其處理后控制電機進行下一步操作。設計的電路如圖1所示。

1.3 處理模塊

處理模塊主要處理來自單片機處理完后的消息將其分析處理后顯示在車載嵌入式系統中，并帶動其他智能化裝置（上述車窗控制是其中之一），篇幅關系，此處僅探討車載嵌入式系統的顯示。系統采用多線程處理設計，實時顯示相應環境指標的動態流程圖。此處的多線程主要分為接收消息線程、分析處理線程以及控制線程。接收消息線程將通過設置數據池，收到的數據信息將被放在數據池中，并設置統一標志位。如果該標志位為1則表示該數據尚未處理，如果置為0則表示該數據已被處理。控制線程在處理上將分配獨立于其它的線程處理并將其設計為最高等級，以保證系統的整體運行穩定，其接收來自主線程的調配命令以及監控其他線程的運作情況，根據需要發送消息給接收消息線程進行消息的主動索取。分析處理線程則需要占用較長的時間片，以保證用戶人機界面操作的流暢。

在此過程，系統必須對人體舒適度進行量化處理，參考相關文獻此處將其定義為如下：溫度（夏季24-28;冬季18-22;單位：°C）;濕度（40-70;單位：%）;二氧化碳≤0.15。

系統將根據采集到的信息進行加權評估，簡單估計人體舒適度并通過1-10的等級量化。

為了對接收的環境數據進行繪圖顯示，系統定義了具有多屬性的環境數據類，該類的屬性包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、人體舒適度等。當收到新的數據時，系統將形成一個具體的類對象，并加入到程序設計的列表中。另一方面，顯示模塊將遍歷程序設計列表，讀取每個列表元素，并將其逐一繪制顯示。實現上可以通過C++Builder自帶的畫圖控件Tchart實現曲線繪制。

2 結束語

本文設計了一種汽車內部智能環境檢測系統，該系統通過多種傳感器采集接收數據，并通過單片機作為下位機統一處理接收，設計通過藍牙串口模塊實現單片機與車載操作嵌入式系統的互聯。最終通過嵌入式系統的圖形繪制以及電機驅動車窗等實現對車內環境的智能檢測與控制。系統實現簡單，并在實驗平臺上進行驗證，為相關研究拋磚引玉。

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