基于單片機和計算機語言自動破窗系統設計及應用

李瑞英，王昱錦，孔鈺媛，吳春梅，姜赫，王馨玉，劉永皓，徐權，張冰倩，何曉穎

（大慶師范學院 機電工程學院，黑龍江大慶，163712）

1 研究背景現狀及意義

伴隨著汽車產業的發展，汽車起火以及汽車落水無法逃離最終導致死亡的案例隨著近幾年私家車輛的不斷增加而逐年增高。而根據April 的統計，僅在2012 年這一年就有11000 起車輛駛出公路沖進水中事故，這些事故中有3%的人因其死亡，因此車內逃生裝置的發展成為了一種趨勢。車輛落水事故所造成的危害性和嚴重性，主要表現在以下幾個方面。車輛落水后，會以較快的時間沉入水底，因此留給車內乘員逃生的黃金時間極其短暫。車輛落水后，車門內外形成水位壓力差過大，即使是強壯的成年男性也無法通過打開車門逃生，更何況車內一般還會有女性及體弱的兒童、老人，因此從車門逃生是不可能的，而從車窗逃生則將成為落水后逃生的唯一出路。隨著車輛落水，往往會使車輛電路設備短路，電動車窗無法工作。車輛落水后，即使消防人員及時趕到，而車在落水后水將降低外部破窗機械的力量，導致無法破窗，從而車內人員將無法即時逃生[1]等。

設計擬采用STM32F103C8T6 型單片機作為中樞控制區，以溫度、二氧化碳、氣壓傳感器模塊掃描并檢測車內溫度、二氧化碳濃度、車內外大氣壓力差，將檢測數值讀取，經過加工處理后傳輸到ECU 進行處理分析，ECU 通過與之前設定好的數值進行比對，根據溫度、二氧化碳濃度、大氣壓力等數值綜合判斷，判斷是否有能進行破窗的條件，然后將所得出結果傳輸給單片機，而后裝置根據所收集的數據做出相應的操作，如執行破窗則繼電器啟動傳遞給破窗裝置信息執行破窗。并將溫度、二氧化碳濃度、大氣壓力差等數據顯示在裝置內置的12864 液晶顯示屏上，另設獨立按鍵可進行手動破窗、復位等操作，系統通過模擬車輛正常運行時的數據并根據對比進行破窗的功能。

2 自動破窗系統的軟硬件設計及實現

設計的自動破窗系統主要以STM32F103C8T6 型單片機作為主控芯片，12864 液晶作為顯示器，結合身為執行器的蜂鳴器報警模塊、LED 發光二極管和破窗裝置；還有身為傳感器部分的二氧化碳模塊、溫度模塊、大氣壓強模塊；以及控制單元部分負責監測傳感器輸出的信號的控制單元這三大功能板塊構成。當監測到車內空氣中二氧化碳濃度以及車內溫度過高時，系統將判斷車內有危險發生，使用破窗錘敲擊擊碎前擋風玻璃，使車內人員逃生，完成整個遇險逃生過程[2]。

2.1 研究內容

項目研究主要內容：對空氣中二氧化碳濃度、車內溫度、車內外大氣壓力進行監測，當發現車輛處于險情中時將發出警鳴并擊碎前擋風玻璃；復原按鍵，本裝置可以在工作之后通過按鍵復原進行二次利用；本裝置可以把當前空氣中的二氧化碳濃度、溫度、內外壓強實時顯示在液晶顯示屏上；為了使誤差處于較小范圍，各個裝置的靈敏度經過挑選都應達到相應的標準；調整模擬溫度的幅度，來測試該裝置在外部環境下是否能夠達到預期的工作狀態；可以使用高寒高溫的極度天氣，并正常工作，足以體現本裝置可靠性。預期目標：本設計系統通過對車內二氧化碳、溫度數據的分析和內外大氣壓力的感應，作為車內環境監測的參考，如果有人在車內發生險情，整個系統會根據車內環境參數的變化來控制破窗器進行破窗從而實現對人員進行救助的功能。

自動破窗系統以單片機STM32F103C8T6 作為主板與大氣壓力傳感器、溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、報警器、破窗裝置等檢測執行裝置相結合所設計出來的[2]。且另設虧電裝置，在破窗裝置內部電力短缺時進行提醒，以即時補充電源。系統利用溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、大氣壓力傳感器來采集車輛環境參數，由中央處理器檢測數值，當數值超過峰值時，系統立即觸發破窗操作，以此來發展達到國家安全進行防護的效果。

2.2 系統軟件設計

軟件設計使用了STM32F103C8T6 這款型號的單片機，用C 語言編寫的代碼需要通過一系列操作使其編譯成HEX文件后才能下載燒錄到單片機的內存中如圖1 所示，供我們使用。軟件設計的總體思路如圖2 所示，為了保證算法的準確性和有效性，系統對數據的采集和處理進行分析，將分析內容進行處理。 此外，為了系統不會出現錯誤在每次啟動后都會進行自檢，自檢完成后開始進行循環操作，在不發生意外的情況下，模塊測試將繼續循環進行。 當檢測到車輛的溫度和二氧化碳濃度不正常時，就會進行破窗行為作業[3]。 在自檢過程中發現故障時，系統也提示內部存在故障，等待故障被人工修復后再正常循環工作[4]。

圖1 Keil-5 軟件界面

圖2 軟件設計流程圖

2.3 硬件設計

選用的硬件主要包括：STM32 單片機 、LCD12864 顯示屏、LED 指示燈、獨立按鍵、蜂鳴器、DS18B20 溫度傳感器和紅外二氧化碳傳感器、壓電式力敏傳感器大氣壓力傳感器等。該系統主要由傳感器模塊、通信模塊、執行模塊、移動電源、微機等組成，通過試驗評估該系統的正確性和可靠性，本系統能夠精準運行，并且系統裝置成本低、性價比高，結構簡單、工作可靠、適用性和實用性較強，具有良好的市場前景。自動破窗系統的硬件框架圖，如圖3 所示。

圖3 系統硬件框架圖

先通過獨立分區的檢測裝置中的二氧化碳傳感器檢測車內空氣中的二氧化碳濃度；溫度傳感器檢測車內溫度；大氣壓力傳感器檢測車內外的氣壓差，然后通過各種傳感器等器件將物理信號轉變為模擬信號后，經由放大器轉變為數字信號通過引腳傳輸給單片機內部，其電路原理圖如圖4 所示。然后單片機對采集到的數據和內部已經設定好的數據進行對比，執行啟動繼電器、破窗等一系列的后續工作。

圖4 電路原理圖

為了將我們的裝置檢測效果以及舒適度達到最好的水平，我們將根據以下幾點問題來提出解決方案：

（1）我們根據如何檢測車內環境是否已經達到危險數值的問題：我們采用了DS18B20 溫度傳感器、紅外二氧化碳傳感器、壓電式力敏傳感器大氣壓力傳感器這三個反應靈敏，體積較小，實用性較強、能在較為嚴酷的環境中監測具有較高的適應能力的傳感器來進行內部檢測。

（2）我們根據汽車內部空間問題：該裝置將破窗裝置與監測裝置分離，使其體積減小不會碰撞到駕駛員的頭部。

（3）我們根據車內安裝系統問題：采用無須在生產線上進行安裝，可像行車記錄儀一樣可后期加裝。

并且現在大多數家庭用車還未普及這類裝置，市場前景高，而且使用方便、實用性強，性價比高，適合進行商業推廣。

2.4 項目具體功能及實現

為保證安裝后的實物是否能達到設計的要求，設置一組實驗，測量不同環境對數據對傳感器的檢測是否會有誤差，來判斷監測裝置是否達到設計標準。將對這兩種數據測量數據測量，充足的光線代表夏天，昏暗代表冬天。調試完成后，對實物數據分析，確定系統是否符合標準。測試得到3 組數據，結果如表1、表2 和表3 所示。

表1 不同溫度隨陽光條件變化測試結果

70℃ 昏暗 繼電器沒啟動，燈不亮70℃ 光線充足 繼電器沒啟動，燈不亮90℃ 昏暗 繼電器啟動，燈亮90℃ 光線充足 繼電器啟動，燈亮

表2 不同CO2濃度隨陽光條件變化測試結果

表3 不同大氣壓力差隨陽光條件變化測試結果

由表1 可知在車內溫度高于車內正常溫度值時會導致繼電器的啟動；由表2 可知在車內二氧化碳濃度超過正常值時繼電器將啟動；而由表3 可知當車內外大氣壓力差值達到40%時繼電器啟動。僅僅是上述數據還不足以支撐裝置的調試數據，本設計在設計時意圖重復使用裝置，為此我設計了另一組對照試驗，設置啟動復位鍵和未按復位鍵是屏幕上數據和繼電器是否亮起，測得數據如表4 所示。

表4 破窗系統復位測試結果

經過調試，本文設計的破窗系統能夠在誤差較小的情況下完成操作，實現了簡單實用的功能。由于各種元器件的特性不同，外界環境如溫度、濕度等的干擾，以及焊接過程的偏差，成品設計不能達到預期的效果，因此，也需要一些物理調試。經過測試，我們設計的安全系統對車內乘客的安全救援率較高，在未失效前就達到了設計要求。具體實物圖如圖5 所示。

圖5 實物圖

2.5 目標客戶

我國是現在汽車的保有量不斷上漲的國家，我們的主要目標客戶，小到家庭用車，大到公交巴士、地鐵、高鐵等大型載客車輛。近年來，世界極端天氣數量不斷增加，車輛行駛安全系數大幅度下降，車內安全問題顯得尤為突出，這是自動破窗系統發展的機遇。在車輛擁有數不斷上漲的現在，所設計的破窗裝置，可以從黑龍江省推廣到東北三省乃至全國甚至是全球。

圖6 破窗效果圖

3 項目技術實施及應用

目前高校計算機語言程序設計、單片機原理等課程教學中明顯存在理論和應用的脫節問題，學生學完仍不會實操具體項目的設計與開發，不會用所學知識去設計并編程解決實際問題。針對多年教學過程中的一些思考和探索，基于目前的現狀和學生的實際情況，本著提高學生適應社會的需求和增加就業籌碼的目的，深入分析目前這些教學中存在的實際問題，提出了五動+雙線創新教學模式，進行課程改革研究與實踐，授課過程中使用該項目的子程序，這些子程序是更具體的、與專業結合更緊密的一個個生動案例來進行理論和實踐一體化教學，使學生能更深刻的理解單片機和計算機語言在本專業具體有什么用，怎么用，讓學習更加捷徑化、具體化、實用化，理論更好聯系實際。真正達到了培養好用實用的創新性人才的目的，符合我校應用型人才培養的定位，同時符合國家和社會對人才的需求。主要針對以下問題展開：以成果為導向，反向整合課程體系，正向開發線上資源；依托線上前置功能，構建了“雙線”+“自動、驅動、聯動、互動、行動”五動一體化動態教學模式，輔助大創學科競賽等實踐手段，打造線上線下深度融合“五動”金課；堅持立德樹人，全面發展；以學生為中心，構建閉環反饋評價系統，制定了多角度全方位的考核評價體系。該教學模式的實施，有效促進了地方本科院校應用型課程教學質量的提高，深受廣大應用型本科院校學生的歡迎，對所學知識掌握更加全面和認深入，能大規模推廣使用。

4 結論

采用STM32F103C8T6 型單片機作為中樞控制區，檢測并對比溫度、二氧化碳、氣壓傳感器模塊掃描并檢測車內溫度、CO2等濃度、壓強，能夠準確判斷是否執行破窗操作，且在符合條件時自主破窗操作，營救生命，該自動破窗裝置可進行重復多次使用，且破窗率100%。并與企業合作將其進行商業化推廣，市場前景好。項目軟件程序用于教學實踐，創新雙線+五動教學模式，大大提升了學生理論聯系實際的能力，達到了培養創新性人才的目的，符合國家和社會對人才的需求。