基于AT89C51單片機(jī)的智能防護(hù)書包設(shè)計

丁小榮　尤超慧　陳美靜　段文洋　付裕

摘要：文章設(shè)計一款基于AT89C51單片機(jī)的智能防護(hù)書包，該書包由供電系統(tǒng)模塊、防溺水模塊、報警模塊、GPS定位模塊組成。其中，供電系統(tǒng)模塊除了常規(guī)蓄電池供電外，還可利用振蕩浮子將兒童走路時的動能轉(zhuǎn)換為電能；防溺水模塊采用MS5837-30BA高精度壓力傳感器，可精確感知水壓變化，從而觸發(fā)打開救生氣囊；報警模塊實現(xiàn)按鍵報警功能；GPS定位模塊獲取定位信息；書包整體采用符合人體工程學(xué)設(shè)計，達(dá)到減負(fù)減壓效果。

關(guān)鍵詞：AT89C51；智能防護(hù)；振蕩浮子

中圖分類號：TP368? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0104-04

1 引言

近些年來，國內(nèi)外兒童溺水事故頻發(fā)，導(dǎo)致家長對兒童人身安全擔(dān)憂日漸加劇。由于兒童身心發(fā)展不成熟，缺乏成熟的鑒別能力和自我保護(hù)能力，因此兒童的戶外安全問題一直備受關(guān)注。為了提升兒童戶外安全保障，設(shè)計一款防溺水多功能智能防護(hù)書包，該書包在感知到落水后，觸發(fā)安全氣囊及報警、定位等功能模塊開啟，從而在很大程度上對兒童的戶外安全做出保障。

2 設(shè)計理念及功能

結(jié)合兒童常見的安全隱患，本文設(shè)計的安全智能防護(hù)書包具有以下幾大功能：

1） 防溺水功能：兒童發(fā)生意外落水時，書包兩側(cè)的壓力傳感器感知水壓變化，自動觸發(fā)充氣氣囊，氣囊迅速膨脹，使落水兒童浮于水面之上。

2） GPS定位功能：定位模塊能夠?qū)崟r獲取兒童的位置信息。

3） 報警功能：兒童遇到緊急危險狀況時，按下報警按鈕，警報聲響引起周圍人群注意。

4） 人體工程學(xué)設(shè)計：書包整體采用人體工程學(xué)設(shè)計理念，保護(hù)兒童骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉。同時，選用輕盈柔軟防水材質(zhì)，防止兒童因過度負(fù)重而彎腰駝背，達(dá)到減負(fù)減壓的目的。

3 智能書包硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計選用AT89C51單片機(jī)為控制單元，對供電系統(tǒng)模塊、GPS定位模塊、防溺水模塊、報警模塊進(jìn)行智能控制。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.2 供電系統(tǒng)模塊設(shè)計

為了確保安全防護(hù)智能書包內(nèi)部電路正常工作，本設(shè)計不僅采用蓄電池供電，還加入振蕩浮子，可將動能轉(zhuǎn)化為電能。這種雙邊供電方式為智能書包全階段正常使用提供了保障。

AT89C51單片機(jī)主控系統(tǒng)正常工作時所需的電壓為5V左右，為保證在不同供電方式下智能書包都能正常工作，為供電系統(tǒng)加入穩(wěn)壓電路模塊，穩(wěn)壓電路模塊使用貼片鋁電解電容和功率較大的電感，控制輸出電壓在4.5V到5.5V之間[1]。

智能書包內(nèi)部裝有如圖2所示的振蕩浮子，其工作原理為：在兒童走路顛簸的過程中，振蕩浮子對垂直方向上的運(yùn)動能量進(jìn)行捕捉，彈簧上端所連接的浮子自振蕩頻率和上下顛簸的頻率越接近，其捕捉到的能量就越大。當(dāng)浮子的自振蕩頻率等于上下顛簸的頻率時，就會發(fā)生共振現(xiàn)象，能夠?qū)⒏嗟膭幽苻D(zhuǎn)化為浮子的機(jī)械能。

從式（3） 可以看出，浮子質(zhì)量和底面積一定時，浮子吸收的能量與浮子垂向響應(yīng)速度及垂向位移的平方成正相關(guān)。浮子垂向響應(yīng)越好，浮子獲取的能量就越多[2]。

浮子利用獲取的機(jī)械能帶動發(fā)電機(jī)工作，產(chǎn)生電流，經(jīng)過穩(wěn)壓電路即可為整個智能書包供電。

3.3 報警模塊設(shè)計

報警模塊電路圖如圖3所示。報警模塊以AT89C51單片機(jī)作為核心控制單元，附加復(fù)位電路、晶振電路構(gòu)成。其中，復(fù)位電路能夠?qū)⑾到y(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，晶振電路為系統(tǒng)提供時鐘信號[3]。

按下電路圖中SW1按鍵觸發(fā)報警電路，蜂鳴器正常工作時需要30mA的電流，如只采用主控AT89C51芯片驅(qū)動蜂鳴器，則無法保證其他模塊正常工作。于是，利用三極管Q1對電流放大，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報聲，同時利用編程實現(xiàn)蜂鳴器響聲持續(xù)10s，監(jiān)測復(fù)位鍵是否按下，若按下，則警報聲停止；若復(fù)位鍵沒有被按下，則蜂鳴器持續(xù)發(fā)聲10s后循環(huán)監(jiān)測，直至復(fù)位鍵被按下。

3.4 防溺水模塊設(shè)計

市面上現(xiàn)有的救生氣囊利用二氧化碳高壓氣罐為氣囊提供浮力，在發(fā)生溺水時需拉動手柄使氣體充入才能使溺水者上浮，但兒童溺水時往往驚慌失措難以主動觸發(fā)氣囊彈出，不能實現(xiàn)自救。針對以上問題，本文參考汽車安全氣囊的設(shè)計原理，設(shè)計出一款感知水壓自動觸發(fā)的氣囊裝置。模塊設(shè)計如圖4所示[4]。

書包底部和兩側(cè)裝有水壓傳感器，當(dāng)兒童落水時，傳感器感知水壓變化引起其內(nèi)部電路參數(shù)變化，從而觸發(fā)點火開關(guān)，氣囊內(nèi)部裝置產(chǎn)生大量氣體，氣囊迅速膨脹，巨大浮力使兒童浮在水面。兒童還可以按下報警裝置按鈕，發(fā)出警鳴聲，引起周圍人的注意，獲得及時救援。

同時，本文選用MS5837-30BA高精度水壓傳感器，MS5837-30BA傳感器是新一代的高分辨率12C接口壓力傳感器，水深測量分辨率高達(dá)2mm，該壓力傳感器模塊包括高線性度的壓力傳感元件和低功耗的24位ADC轉(zhuǎn)換器，能夠精準(zhǔn)地將水壓變化信息發(fā)送到單片機(jī)[5]。壓力傳感器的工作電壓為1.5V到3.6V，工作電流和靜態(tài)電流較低。MS5837-30BA傳感器與主控AT89C51單片機(jī)的引腳接口如表1所示。

MS5837-30BA傳感器的工作原理基于硅晶體的壓阻效應(yīng)，硅材料在受到外界壓力或拉力的作用時，晶體的晶格產(chǎn)生形變，載流子從一個能谷向另一個能谷散射，載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化，相應(yīng)的電阻值隨之改變。

3.5 GPS定位模塊設(shè)計

GPS定位模塊就是利用接收天線獲取衛(wèi)星信號，將信號進(jìn)行變頻、放大、濾波、相關(guān)、混頻等處理后，獲得衛(wèi)星信號的傳播時間，根據(jù)多個衛(wèi)星之間的距離測算出兒童的經(jīng)緯度位置，最后經(jīng)過定位模塊的經(jīng)緯度解析就能獲得兒童具體位置[7]。本系統(tǒng)定位模塊中采用ONE-6M定位模塊組，該定位組模塊可通過串口與主控AT89C51單片機(jī)連接，還可通過串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，使用方便[8]。

4 軟件設(shè)計

軟件部分主要包括單片機(jī)系統(tǒng)初始化、警報器報警、GPS定位、水壓監(jiān)測裝置等模塊。系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖如圖6所示。

智能防護(hù)書包系統(tǒng)主要采用C語言編程。

1） 報警系統(tǒng)程序設(shè)計流程：首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，接著，監(jiān)測報警按鍵是否被按下，如果按下，則報警器工作，持續(xù)10S之后，監(jiān)測按鍵是否復(fù)位，如果復(fù)位則報警結(jié)束；如果沒有復(fù)位，則報警器一直工作，直到復(fù)位信號產(chǎn)生。

2） 定位系統(tǒng)程序設(shè)計流程：首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，接著，判斷是否接收到GPS位置信息，未接收到則返回系統(tǒng)初始化，接收到則進(jìn)行GPS位置信息的提取，提取完位置信息后，繼續(xù)判斷提取的位置信息是否有效，若無效，則返回上一步繼續(xù)提取位置信息，直到提取到有效信息；位置有效，則發(fā)出位置信息。

3） 防溺水模塊流程設(shè)計：MS5837-30BA水壓傳感器一直處于水壓監(jiān)測狀態(tài)，落水時，水壓會發(fā)生變化，隨著水壓的增大，傳感器的電阻值增大，引起智能書包電路系統(tǒng)中電流參數(shù)變小，變化的電流參數(shù)會觸發(fā)安全氣囊打開。

圖6? ?程序設(shè)計流程圖

5 書包材料結(jié)構(gòu)設(shè)計

書包外形設(shè)計符合人體工程學(xué)，背墊采用柔軟透氣的高發(fā)泡記憶棉材質(zhì)，這種材質(zhì)具有良好的緩震能力。書包肩帶采用萊卡面料和TPU材質(zhì)，萊卡面料延伸性強(qiáng)，在拉伸到原長的7倍，也能很好地回復(fù)原狀，并且回復(fù)原狀后可以緊貼人體表面，對人體的束縛很小。TPU材質(zhì)具有卓越的高張力，耐老化的特性。如圖7所示，肩帶設(shè)計成多個氣囊的形狀，多個氣囊能夠起到分壓的作用，減少兒童肩部壓力。

圖7? ?氣囊分壓設(shè)計

書包的整體材質(zhì)采用PVC牛津布，這種布料表面光滑、防水耐高溫，能夠很好地保護(hù)書包內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)。書包外觀圖案設(shè)計和當(dāng)下流行的聯(lián)名款合作，更容易得到兒童的青睞。書包兩側(cè)正面都有大面積的反光條，在光線較暗的交通情況下，更容易引起司機(jī)的注意，避免事故的發(fā)生。家長可以根據(jù)兒童的身高調(diào)節(jié)書包的胸帶、肩帶等配件，達(dá)到固定兒童背部和書包的效果，使兒童的身姿更加挺拔[9]。

6 結(jié)束語

本文從智能防護(hù)書包的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及其實現(xiàn)的功能方面進(jìn)行論述，基于AT89C51單片機(jī)主控單元，報警模塊實現(xiàn)自主按鍵報警；GPS定位模塊能夠準(zhǔn)確獲取兒童位置信息；溺水模塊中的水壓傳感器能夠精確感知水壓變化，觸發(fā)氣囊，防止兒童溺水，且本設(shè)計首次將振蕩浮子應(yīng)用于智能書包，將振蕩浮子的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，保障智能書包全過程供電，正常使用。同時，該智能防護(hù)書包的整體外形設(shè)計符合人體工程學(xué)，采用減負(fù)減壓設(shè)計，是一款真正實現(xiàn)兒童防護(hù)的智能書包。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】