基于51單片機(jī)的多功能安全頭盔設(shè)計(jì)

李沛澤

（鄭州大學(xué)國際學(xué)院 河南省鄭州市 450000）

本文采用STC89C52作為多功能安全頭盔的主控制器，STC89C52屬于增強(qiáng)型51單片機(jī)。51系列單片機(jī)是一款應(yīng)用廣泛的8位單片機(jī)，它提供了一套完整的按位操作系統(tǒng)，同時(shí)具有乘法和除法指令，操作簡(jiǎn)單，容易上手。STC89C52相比于51單片機(jī)，擁有更大的RAM和ROM存儲(chǔ)空間，增加了定時(shí)器數(shù)量和相應(yīng)的特殊功能寄存器和中斷功能更強(qiáng)大。

1 多功能安全頭盔功能描述

1.1 功能概述

1.1.1 接聽功能

配置藍(lán)牙外耳機(jī)，避免騎手以為佩戴入耳式耳機(jī)，對(duì)周圍聲音喪失基本的判斷，減少意外情況的發(fā)生，且不影響騎手對(duì)基本語音通話的使用。

1.1.2 測(cè)距功能

先用MPU6050測(cè)得行駛的加速度，通過算法測(cè)得速度，當(dāng)速度達(dá)到15km/h以上觸發(fā)左后方和右后方超聲波測(cè)距模塊，當(dāng)超聲波模塊測(cè)距距離為2m以內(nèi)發(fā)出提示音提醒左后方或右后方有車，請(qǐng)注意安全。

1.1.3 事故報(bào)警功能

板子正常情況下是水平，一旦MPU6050檢測(cè)到板子不再水平即摔倒，蜂鳴器發(fā)出提示音，且摔倒的時(shí)間持續(xù)超過15秒后GSM模塊開始工作，向有關(guān)人員發(fā)送求救信息和GPS模塊得到的位置信息。

1.2 功能框圖

功能框圖如圖1所示。

2 多功能安全頭盔硬件設(shè)計(jì)

2.1 功能單元?jiǎng)澐?/h3>

（1）主控制器：STC89C52。

（2）測(cè)距功能：MPU6050，兩個(gè)HC_SR04，報(bào)警電路。

（3）事故報(bào)警功能：MPU6050，SIM800模塊，GPS模塊，報(bào)警電路。

（4）接聽功能：藍(lán)牙外耳機(jī)。

2.2 模塊性能指標(biāo)

2.2.1 STC89C52

（1）屬于增強(qiáng)型8051單片機(jī)，相比于傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，其功能更加強(qiáng)大。

（2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)）。

（3）STC89C52共有32個(gè)I/O口，大多為弱上拉型，本系統(tǒng)需要兩個(gè)I/O口進(jìn)行IIC通信，3個(gè)I/O口分別連接指示燈和控制按鍵以及蜂鳴器，4個(gè)I/O口分別連接兩個(gè)HC-SR04，同時(shí)還需要若干I/O口連接LCD1602液晶顯示屏。

（4）STC89C52有一個(gè)串口，我們需要用串口實(shí)現(xiàn)與GSM/GPS模塊的通信。

（5）共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2，我們用到了T0和T1定時(shí)器，T1定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，T0定時(shí)器用于測(cè)距模塊。

圖1：功能框圖

2.2.2 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊

（1）使用電壓：DC—5V。

（2）靜態(tài)電流：小于2mA。

（3）電平輸出：高電平5V。

（4）電平輸出：低電平0V。

（5）感應(yīng)角度：不大于15度。

（6）探測(cè)距離：2cm-450cm。

（7）高精度可達(dá)0.2cm。

2.2.3 MPU6050

（1）尺寸：4*4*0.9mm。

（2）封裝：QFN。

（3）支持電壓：2.5v 5%，3.0v 5%，3.3v 5%。

（4）陀螺儀可測(cè)范圍：250，500，1000，2000 /秒。

（5）加速度計(jì)可測(cè)范圍：2，4，8，16g。

2.2.4 SIM800模塊

（1）尺寸：24*24*3mm。

（2）重量：3.1g。

（3）通過AT命令控制（GSM 07.07，07.05 and SIMCOM增

強(qiáng)AT命令集）。

（4）供應(yīng)電壓范圍：3.4～4.4V。

（5）操作溫度范圍：-40℃～85℃。

2.2.5 GPS模塊

（1）5Hz定位更新速率。

（2）精確度：定位2.5MCEP，SBAS：2.0mCEP。

（3）捕獲冷啟動(dòng)29s。

（4）溫啟動(dòng)27s。

（5）輔助啟動(dòng)<3s。

（6）熱啟動(dòng)<1s。

（7）支持AssistNow Online及AssistNow Oラine。

（8）速度515m/s（1000節(jié)）。

（9）模塊輸入電壓：5V。

2.3 系統(tǒng)工作原理

圖2：原理圖

圖3：主程序流程圖

2.3.1 mpu6050陀螺儀/六軸加速度傳感器

電路板位于頭盔的頂端，水平放置，正常情況下傾角為0度。MPU6050用于測(cè)量x方向和y方向的加速度以及電路板的傾角，正常情況下，mpu6050測(cè)得的傾角為0，同時(shí)兩個(gè)方向的加速度在正常的范圍內(nèi)。當(dāng)加速度的絕對(duì)值出現(xiàn)特別大的值（發(fā)生碰撞），之后傾角不為0（摔倒）且十五秒后不恢復(fù)0值，便觸發(fā)GSM模塊和報(bào)警模塊工作。

2.3.2 GSM/GPS模塊

GSM模塊采用SIM800A，其接收端與單片機(jī)串口的發(fā)送端相連用于接收單片機(jī)發(fā)送的信息并發(fā)送給對(duì)應(yīng)的手機(jī)。GPS模塊用于測(cè)量經(jīng)緯度信息并發(fā)送給單片機(jī)，在事故發(fā)生后，單片機(jī)將求救信息以及事故發(fā)生的經(jīng)緯度信息通過串口發(fā)送給GSM模塊，GSM模塊發(fā)送給相應(yīng)的手機(jī)。

2.3.3 由加速度計(jì)算速度的算法設(shè)計(jì)

假設(shè)y方向?yàn)檎胺?，由MPU6050測(cè)得y方向的加速度a，用定時(shí)器1做定時(shí)，以每100ms為間隔，讀取每個(gè)間隔的中間值作為a的值，然后累加10次，則 得到速度的值。

2.3.4 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距模塊用于測(cè)量在電動(dòng)車高速運(yùn)動(dòng)時(shí)距離后方車輛的距離，當(dāng)速度超過15km/h，啟動(dòng)左后方和右后方的超聲波測(cè)距模塊，當(dāng)測(cè)的距離小于兩米時(shí)，啟動(dòng)提醒/報(bào)警電路進(jìn)行提醒。

2.3.5 報(bào)警/提醒電路

該電路由蜂鳴器和二極管電路組成，當(dāng)高速狀態(tài)下測(cè)距小于兩米時(shí)，電路發(fā)出間隔為1s的滴答聲進(jìn)行提醒，當(dāng)檢測(cè)到事故發(fā)生時(shí)，發(fā)出長(zhǎng)時(shí)間的報(bào)警聲。

2.3.6 LCD1602液晶顯示屏

LCD1602用于顯示mpu6050測(cè)得的加速度和傾角的數(shù)值以及通過算法計(jì)算出的速度值以及左后方和右后方兩個(gè)HC-SR04測(cè)得的距離。用于進(jìn)行調(diào)試，可以去掉。

2.4 單元詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.4.1 引腳設(shè)計(jì)

（1）MPU6050的SCL時(shí)鐘線接單片機(jī)P21引腳，SDA數(shù)據(jù)線接單片機(jī)P20引腳，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的IIC通信。

（2）單片機(jī)P22引腳通過三極管接蜂鳴器。

圖4：GSM模塊、GPS模塊子程序流程圖

圖5：定時(shí)器1、串口接收中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

（3）GPS模板TXD輸出引腳連接單片機(jī)RXD串口輸入引腳RXD，向單片機(jī)發(fā)送位置信息。

（4）單片機(jī)TXD串口輸出引腳連接GSM模塊RXD輸入引腳TXD，控制GSM模塊向手機(jī)發(fā)送短信。

（5）兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊的TX發(fā)送引腳分別接P10，P16引腳，接收引腳RX接單片機(jī)P11，P17引腳。

（6）LCD1602數(shù)據(jù)端接單片機(jī)P00到P07引腳，使能端接P27引腳，讀寫端接P26引腳，使能端P25引腳。

2.4.2 引腳設(shè)計(jì)特色

由于STC89C52只有一個(gè)串口，而GSM和GPS模塊都需要與串口進(jìn)行通信，我們可以將單片機(jī)串口的接收端與GPS模塊的發(fā)送端相連，同時(shí)單片機(jī)串口的發(fā)送端與GSM模塊的接收端相連，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)串口與兩個(gè)模塊的通信。

2.4.3 原理圖

原理圖如圖2所示。

3 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)環(huán)境

本產(chǎn)品采用的開發(fā)環(huán)境為Keil5_C51，Keil集編輯、編譯、到連接、調(diào)試為一體，提供了一套完整的軟件開發(fā)流程。用Keil軟件對(duì)程序進(jìn)行編譯形成HEX文件，將HEX文件用STC-ISP軟件和CH340通過串口燒錄到STC89C52，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要分為兩個(gè)部分，測(cè)距功能和事故報(bào)警功能。首先通過MPU6050和HC-SR04以及各種算法得到行駛時(shí)加速度，速度，傾角，距離等狀態(tài)。然后通過這些狀態(tài)判斷是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)或是否有事故發(fā)生，進(jìn)而打開或關(guān)閉報(bào)警/提醒電路。報(bào)警電路可以通過按鍵進(jìn)行取消。具體流程圖如圖3。

3.3 子程序設(shè)計(jì)

3.3.1 GSM模塊子程序（GSM_PROC()）

GSM模塊用于向手機(jī)發(fā)送求救信息和GPS模塊測(cè)得的經(jīng)緯度信息，使用GSM模塊首先需要單片機(jī)通過串口向GSM模塊發(fā)送相關(guān)的協(xié)議，之后才可以發(fā)送對(duì)應(yīng)的手機(jī)電話號(hào)碼以及求救信息和位置信息，GSM模塊接收到單片機(jī)發(fā)送的這些信息之后，進(jìn)而通過短信形式發(fā)送到相應(yīng)的手機(jī)。

3.3.2 GPS模塊子程序（GPS_PROC()）

GPS模塊用于獲取駕駛員的經(jīng)緯度信息，GPS模塊的原始信息通過串口接收中斷函數(shù)獲得，GPS模塊的子程序主要用于處理GPS獲得的原始信息進(jìn)而轉(zhuǎn)化成位置信息，及經(jīng)緯度信息。之后通過串口把經(jīng)緯度信息發(fā)送給GSM模塊。

GSM模塊、GPS模塊子程序流程圖如圖4所示。

3.3.3 超聲波測(cè)距模塊子程序（Wave_PROC()）

超聲波測(cè)距模塊用到了兩個(gè)HC-SR04，用于同時(shí)測(cè)量左后方和右后方的距離。超聲波測(cè)距子程序用到了定時(shí)器0，通過定時(shí)器0完成了波的發(fā)送以及距離的測(cè)量，最終返回兩個(gè)模塊較小的距離。

3.4 中斷程序設(shè)計(jì)

3.4.1 定時(shí)器1中斷服務(wù)函數(shù)（Timer1_Routine()interrupt 3）

定時(shí)器1的周期為1ms，定時(shí)器1中斷服務(wù)函數(shù)用于對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行一定周期的掃描，同時(shí)在中斷服務(wù)函數(shù)中含有速度的算法，用于通過加速度計(jì)算速度。是一個(gè)比較重要的中斷服務(wù)函數(shù)。

3.4.2 串口接收中斷服務(wù)函數(shù)（USART_Routine()interrupt 4）

單片機(jī)串口的接收端連接GPS模塊的發(fā)送端，GPS模塊所得到的原始信息通過單片機(jī)的串口接收中斷服務(wù)函數(shù)獲得，我們通過GPS模塊發(fā)送的協(xié)議獲取相應(yīng)的原始信息，具體通過接收到的逗號(hào)次數(shù)判斷接收數(shù)據(jù)的類型，進(jìn)而將原始信息放在相應(yīng)的數(shù)組中。

定時(shí)器1、串口接收中斷服務(wù)函數(shù)流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語

基于51單片機(jī)的多功能安全頭盔可以在現(xiàn)代交通行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高摩托車、電動(dòng)車騎乘人員和駕乘人員的安全防護(hù)水平。多功能安全頭盔擁有接聽、測(cè)距、事故報(bào)警三大功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，成本低廉，可靠性強(qiáng)，具備較大的應(yīng)用空間。