基于單片機的共享汽車控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

滕啟龍

吉林通用航空職業(yè)技術(shù)學院 吉林省吉林市 132101

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，越來越多的新型概念進人們的視野中，近幾年來比較火爆的詞語“共享經(jīng)濟”也隨之而來，共享經(jīng)濟這個概念包含很廣，這其中自然有共享汽車。共享汽車的興起方便人們的出行，它可以不受時間、地域的影響隨時隨地供用戶使用。同時共享汽車作為公共交通的補充，在一定程度上減少了城市中不斷增加的汽車數(shù)量，共享汽車的出現(xiàn)方便了人們的出行，但同時共享汽車帶來的交通安全隱患同樣隨之而來[1]。

共享汽車出現(xiàn)安全事故中最常見的就是駕駛共享汽車超速行駛從而導視悲劇的發(fā)生。為此本次設(shè)計特意針對超速行駛的問題作出整改。同時由于使用共享汽車時的不良操作容易給車輛帶來安全隱患，加之管理人員難以及時對車輛進行安全檢查，所以共享車輛較之私家車更容易發(fā)生汽車溫度過高或自燃現(xiàn)象。本次設(shè)計也針對次問題給出了解決方案，從而減少悲劇的產(chǎn)生。由于受疫情影響，共享汽車的車內(nèi)環(huán)境安全問題也不可忽視，我們針對此問題給出的解決方案是可以在上任用戶使用完后進行紫外線消毒來保障車內(nèi)衛(wèi)生安全[2]。共享汽車使用傳統(tǒng)的機械式鑰匙極不方便也不現(xiàn)實，研究決定通過采用手機藍牙控制單片機等模塊從而控制汽車門鎖的開關(guān)狀態(tài)。同時共享汽車也支持電腦端控制，防止用戶在使用時突發(fā)狀況導致無法開關(guān)車門等現(xiàn)象。

2 總體設(shè)計

基于單片機的共享汽車系統(tǒng)主要有五大功能，分別是超速報警功能、遠程控制開關(guān)功能、用車計費功能、自動消毒功能、車內(nèi)環(huán)境監(jiān)控功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計思路及方案

在設(shè)計系統(tǒng)硬件電路時，為了提高系統(tǒng)電路的普遍性從而將系統(tǒng)分為不同的模塊。中心控制模塊，采用32 單片機負責系統(tǒng)總體控制和數(shù)據(jù)處理；步進電機來模擬汽車行駛，控制步進電機不同轉(zhuǎn)速來滿足車輛的不同速度；用藍牙控制汽車車門開關(guān)；通過GPRS模塊發(fā)送短信；使用TFT-LCD 顯示屏將車速、用車時間、溫度、濕度、經(jīng)緯度顯示出來。將大的電路框架和架構(gòu)搞清楚，設(shè)計好大框架再將具體思路具體實現(xiàn)。由于系統(tǒng)電路的模塊化設(shè)計從而使得系統(tǒng)便于安裝、維護。

3.2 主控模塊

此設(shè)計采用的主控芯片是STM32F103 模塊。該模塊是32 位微型控制器，這一系列的微型電路是由STMicroelectronics（ST）公司生產(chǎn)的，工作頻率為72 兆赫，其內(nèi)核是Cortex-M3。具有豐富的擴展輸入輸出連接點和相關(guān)的功能模塊，全部都和芯片內(nèi)部的兩個總線相連接。STM32103 單片機具有良好的操作系統(tǒng)和編寫環(huán)境以及豐富的外設(shè)模塊，可較好的與本設(shè)計所需的各個硬件進行連接并穩(wěn)定控制。使用32 芯片的最小系統(tǒng)其編程相對簡單且使用外設(shè)極其靈活集成度較高。芯片包括定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART 和其他外圍功能。

3.3 步進電機

步進電機是由脈沖來驅(qū)動的，通常使用微型計算機或者數(shù)字計算機來控制，其器件擁有開路控制電路，還能夠把電脈沖變換成角位移[3]。

步進電機沒有過載的話，負載變化不能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生改變，電機在那個地方停下和電機轉(zhuǎn)動的快慢都是由發(fā)送脈沖的次數(shù)和發(fā)送脈沖的頻率決定。換句話說給不僅電機加上個脈沖信號的話，那么它就會轉(zhuǎn)動一次。因為步進電機不會在轉(zhuǎn)動的時候一點點的累加誤差，所以這個電機就有著不會增加累計誤差的優(yōu)點，使得步進電機在速度等控制領(lǐng)域的應(yīng)用減低了難度。

在基于單片機的共享汽車的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計中，使用步進電機可實現(xiàn)精確定位控制，可應(yīng)用在位移精確定位系統(tǒng)中；直流電機控制相對簡單，但是定位精度不高，可用于對速度要求高，而對位移定位不高的系統(tǒng)。綜合上述本系統(tǒng)使用步進電機。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常遇到的控制就是對步進電機的控制。在發(fā)展中，越來越多的人采取數(shù)字控制的方式來實現(xiàn)對步進電機的控制。最常用的電機控制方案主要有以下幾種：

3.3.1 基于單片機的控制

把步進電機發(fā)送脈沖的頻率由軟件編程來進行分配，并把環(huán)形分配器這一功能也有單片機來實現(xiàn)，把步進電機連接到單片機的接口線使其控制各個驅(qū)動的線路，采用中斷查詢調(diào)用中斷服務(wù)程序，將硬件與軟件綜合在一起使用，是不錯的控制方法，也能夠使步進電機的控制達到最佳控制。

該方案的優(yōu)點是：①設(shè)由電路統(tǒng)一對多項的進電機進行控制，從而靈活使用接口電路。②通過單片機的控制去掉了許多傳統(tǒng)控制方法對步進電機控制精度的影響。并且通過單片機軟件編程令步進電機的控制過程完成了精確的控制。③并且基于單片機的外圍電路更會極大提高其系統(tǒng)的聯(lián)系。

3.3.2 基于PLC的控制

PLC 其編程非常簡單、應(yīng)用面廣，并且其可靠性較高、在工程中的實用性比較強，與硬件相關(guān)的配套較全面。通過PLC 發(fā)出脈沖信號到電機，通過軟件來調(diào)節(jié)脈沖信號，就能夠替換步進電機所需要的驅(qū)動器。

使用PLC 來控制步進電機時，無法在高頻的情況下使用、無法在高速的時候?qū)λM行控制、在電機達到一定速度時對其控制的精準度就會變低等缺點。其原因是PLC 掃描一個周期其工作時間在幾十毫秒以內(nèi)，所以其頻率最高只能達到幾百赫茲左右。

3.3.3 基于電子電路的控制

步進電機通過脈沖信號來進行調(diào)節(jié)。使用電子元器件來傳輸脈沖信號并對其進行分配。步進電機通過采用放大功率的電路，來增強驅(qū)動脈沖控制信號。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計較為簡單，由兩大電路構(gòu)成，分別是功率放大電路、步進電機控制電路，通過這兩大電路可以完成大多數(shù)的步進電機控制。

使用電子電路來控制步進電機時，采用開環(huán)或閉環(huán)都可以對脈沖信號進行控制。在采用開環(huán)方式對脈沖控制時，優(yōu)點為操作簡單、運行平穩(wěn)且硬件價格低，但缺點是不能完成高精度的細分；在采用閉環(huán)方式對脈沖控制的情況下，相較于開環(huán)控制能夠完成比較高的準確度的劃分。通過對轉(zhuǎn)子的連續(xù)觀察測量，對它轉(zhuǎn)動的快慢和轉(zhuǎn)動的位置進行正確的反應(yīng)發(fā)出脈沖鏈，完成對信號命令積極的響應(yīng)從而減少步進電機的失步情況。最關(guān)鍵的是采用此方案，使用電子電路來對輸出脈沖頻率和數(shù)量控制的話，其功能就單一且不靈活，如果要增加或減少功能就需重新設(shè)計。

基于上述內(nèi)容，在共享汽車系統(tǒng)中選擇使用單片機控制的方法，這也是目前在對步進電機進行控制時最常見的方法。

3.4 數(shù)字溫濕度模塊

在基于單片機的共享汽車的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計中，應(yīng)首先確保采集溫度所使用模塊的穩(wěn)定性和可靠性，再考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪裕诰C合考慮之下本系統(tǒng)采用相對穩(wěn)定可靠的DHT11 模塊。

系統(tǒng)采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器來實現(xiàn)對車內(nèi)環(huán)境監(jiān)控，實時測量車內(nèi)的溫度和濕度。DHT11 傳感器獲得的車內(nèi)數(shù)據(jù)信息后發(fā)送給單片機進行處理，通過OLED 模塊實時顯示獲得的溫濕度，而一旦溫度超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，就會立即發(fā)送短信到手機進行報警提示。DHT11 是將濕度和溫度相結(jié)合的一個模塊，擁有著專業(yè)的對溫度進行檢測的模塊和對濕度測量時采取電阻元件的模塊。DHT11 模塊使用I/O 口與32 單片機進行通信，每次傳輸40 位濕度和溫度數(shù)據(jù)，在傳輸時進行數(shù)據(jù)檢查，以次增強正確的數(shù)據(jù)傳輸能力。

3.5 藍牙模塊

HC-05 是一款藍牙模塊，可以連接單片機控制器的其他設(shè)備使其無線通信；將這個模塊和單片機建立通信連接的話，可以與單片機芯片的端口連接。此款藍牙模塊可以在許多情境下使用。其參數(shù)為：工作電壓：3.3V（所有其他引腳，VCC 除外），工作電流：30mA，工作范圍：最大10 米（33 英尺）。

HC-05 的工作原理是給所需要的設(shè)計增加雙向（全雙工）無線通訊的功能。HC-05

藍牙模塊可用于單個單片機控制器連接其他藍牙設(shè)備，也可以使用在兩個微控制器之間具有串行功能的通信。當開啟模塊后，使用藍牙設(shè)備的項目都會在相應(yīng)頻段發(fā)現(xiàn)到此設(shè)備，從而連接到此設(shè)備。在藍牙模塊建立連接后，所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以通過 HC-05 進行傳輸，然后由藍牙模塊連接的單片機控制器讀取接收到的數(shù)據(jù)。

HC-05 藍牙模塊是通信主機和通信從機都集中在一起的模塊，指令齊全豐富的藍牙串口模塊。HC-05 是應(yīng)用最經(jīng)典廣泛的藍牙2.0 協(xié)議模塊，支持目前人們手上絕大多數(shù)的安卓手機連接進行通訊，其供電電壓范圍為3.3V～3.6V。

在基于單片機的共享汽車的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計中，選擇HC-05 型號的藍牙模塊可以為大多數(shù)藍牙設(shè)備連接，應(yīng)用較為普遍。

3.6 短信發(fā)送模塊

此模塊采用串口（UART）通信，使用行業(yè)內(nèi)通用的at 指令實現(xiàn)了模塊操作，完成所需要的短信功能。

在基于單片機的共享汽車的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計中，在基于短消息方式的硬件模塊的選擇中，應(yīng)在保證功能的情況下以簡單、方便使用、價格低廉等條件來選擇硬件，在綜合考慮之下本系統(tǒng)采用性價比更高的 SIM900A模塊。此模塊可以無限發(fā)送短信功能的一款芯片，具有體積小、可靠性高等優(yōu)點。

3.7 空氣傳感器

本設(shè)計采用MQ-135 空氣傳感器。此模塊可以輕松檢測出多種有害會對人產(chǎn)生不良反應(yīng)的氣體，其靈敏度非常高，在測量煙霧或其它有害氣體時精度很高，是廣泛應(yīng)用在多方面的的價格便宜的傳感器。

MQ-135 傳感器內(nèi)部采集空氣信息部件是特殊材料。在使用傳感器是，將其凡在所需要測量的場合下，當前場合中如果出現(xiàn)了污染氣體時，傳感器中的的檢測不見就會跟著污染氣體的濃度的增加而逐漸產(chǎn)生反應(yīng)。在根據(jù)相應(yīng)的電路，根據(jù)傳感器內(nèi)部變化的電導率，計算出檢測出的數(shù)據(jù)，再把信號輸出。

3.8 紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器是根據(jù)被測物體（比如人或動物）采集所散發(fā)出的紅外線，經(jīng)處理后輸出電信號的傳感器。紅外探頭傳感器根據(jù)測量到發(fā)熱物體所散發(fā)出來的特定波段的紅外線來進行工作的。被測溫度的紅外線都匯總在一塊區(qū)域內(nèi)。當紅外檢測到被加測的東西發(fā)生變化時，內(nèi)部的元件就會產(chǎn)生變化，以此來獲得信息，再經(jīng)由相關(guān)電路采集

計算后，根據(jù)計算結(jié)果輸出信號[10]。在以前相關(guān)科學家研究使用熱釋電效應(yīng)來對紅外輻射進行研究，由于受到當時科技水平的限制，沒有產(chǎn)生具有實際應(yīng)用價值的成果。直到六十年代，科技水平有了進一步的發(fā)展，使得熱釋電效應(yīng)的研究也得到了進一步發(fā)展。現(xiàn)如今熱釋電晶體廣泛使用在各種自動化控制裝置和相關(guān)的的紅外應(yīng)用領(lǐng)域。

3.9 顯示屏

TFT-LCD 是目前頂級材質(zhì)的液晶屏其英文全稱為：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，晶體管液晶顯示器。其優(yōu)點為顯示屏的顯示速度很快并且可以完美調(diào)節(jié)顯示色階；TFT 液晶屏幕上的每一個像素都對應(yīng)著一個半導體開關(guān)，因此在屏幕上使用點脈沖可以實現(xiàn)對全部像素的直接控制，從而屏幕上的每一個像素都可以單獨且連續(xù)的操控。這樣的方式使得屏幕靜態(tài)的特性與掃描的線數(shù)分離開，從而極大的降低了非選通串擾，增強了畫面質(zhì)量，該液晶屏具有有源矩陣，屏幕后面有半導體開關(guān)，每一個像素都和半導體開關(guān)線連接，主動對屏幕上每個單獨的像素操作。這種屏幕的反應(yīng)時間很快，可視角度較大。在屏幕是上的半導體的特殊排列方式使其具有一定的延時性，在斷電后圖像不會立刻消失反而增強了畫面的連續(xù)性。設(shè)計中，根據(jù)多方面的顯示效果，本系統(tǒng)選擇TFT-LCD 屏幕作為系統(tǒng)顯示器。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在開發(fā)軟件時，基于模塊化設(shè)計的概念，同時考慮每個模塊功能之間的總體協(xié)調(diào)。系統(tǒng)軟件分化為多個子程序，每個子程序基本上對應(yīng)于硬件模塊。

在設(shè)計本程序時，采用程序設(shè)計所規(guī)定的設(shè)計規(guī)范自頂向下，將項目功能區(qū)分開來，分別進行設(shè)計，將其每個功能都區(qū)分成一個單獨的功能。以任務(wù)所要求的功能為單位采用模塊化進行程序設(shè)計，首先將每一個功能的主要結(jié)構(gòu)和流程表述出來。將每一個功能逐步完成，最后再與主程序之間聯(lián)系起來，這樣就由一系列功能單元組成了此次設(shè)計的系統(tǒng)。這種設(shè)計方式也會減少程序復雜度，使得再次修改程序時，簡單易懂具有較強的可維護性。

本系統(tǒng)功能模塊包括多個功能模塊，主要包括：超速報警模塊、遠程控制開關(guān)模塊、用車計費模塊、自動消毒模塊、車內(nèi)環(huán)境監(jiān)控模塊。

4.1 步進電機模塊程序設(shè)計

為解決汽車駕駛?cè)藛T的行駛超速問題，因此本系統(tǒng)設(shè)計了汽車超速報警功能。通過實時監(jiān)控車輛行駛速度來保證駕駛?cè)藛T不會超速行駛，并采用數(shù)字顯示屏直接顯示所測速度。

共享汽車系統(tǒng)主要通過32 單片機控制步進電機的轉(zhuǎn)速來模擬汽車行駛。由單片機產(chǎn)生驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動脈沖，當步進電機收到驅(qū)動脈沖信號后會以一定的轉(zhuǎn)速向設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動設(shè)定好的角度。由脈沖信號的頻率控制著電機的轉(zhuǎn)動速度，所以單片機通過控 制脈沖數(shù)量即可控制電機的轉(zhuǎn)速，繼而完成調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。

通過對車速傳感器的輸出信號進行測量，然后通過算法，即可得出汽車速度。將實時汽車速度傳送至單片機，經(jīng)過單片機與程序設(shè)置好的超速速度對比來得出車輛有沒有超速。當所測速度超過提前設(shè)置好的汽車車速最高值時進行報警，提示駕駛員車輛減速，將行駛危險降低。

4.2 數(shù)字溫濕度模塊程序設(shè)計

設(shè)計使用數(shù)字溫濕度模塊來監(jiān)控車內(nèi)的溫度和濕度數(shù)值，保障車內(nèi)環(huán)境舒適和安全。DHT11 數(shù)字溫濕度模塊可以非常靈活的檢測共享汽車車內(nèi)的溫濕度，基于DHT11 數(shù)字溫濕度模塊來監(jiān)控車內(nèi)溫濕度的工作過程是：通過把傳感器檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給處理器且通過顯示屏幕實時顯示，使用戶可以實時了解到車內(nèi)溫濕度情況。

4.3 藍牙模塊程序設(shè)計

雖然現(xiàn)在汽車車門也有遙控鑰匙，但是遙控鑰匙容易丟失和遺忘，因此使用手機連接藍牙控制汽車車門鎖無疑成了較便捷的方式。

基于藍牙技術(shù)的汽車門鎖功能其工作過程是：通過個人使用的手機與配套的汽車藍牙相連接，使手機藍牙模塊發(fā)出控制命令，汽車上的藍牙模塊接收并由單片機處理，繼而控制開鎖器打開車門門鎖，完成打開汽車門的控制。

4.4 短信發(fā)送模塊程序設(shè)計

由各個模塊的傳感器采集到數(shù)據(jù)信息，通過單片機處理的相關(guān)數(shù)據(jù)（車輛使用費用、車內(nèi)環(huán)境報警等）達到所設(shè)定好的發(fā)送短信的條件時，單片機通過串口通信將相關(guān)信息與警告內(nèi)容傳給 SIM900A 模塊通過短信發(fā)送的用戶手機，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)提示和報警的功能。

4.5 空氣傳感器模塊程序設(shè)計

通過安裝在車輛易高溫處的傳感器來獲取實時的溫度數(shù)據(jù)，由單片機來判斷數(shù)據(jù)是否符合安全標準，得出判斷。當不符合標準時，就會主動報警，用戶會同時收到報警短信，當用戶收到短信后，可以通過手機短信查看報警信息和車輛位置，以便進一步判斷。符合標準時，會持續(xù)檢測不進行報警。

4.6 紅外傳感器模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計的自動消毒功能使用紅外光電傳感器進行檢測，判斷車內(nèi)附近是否有人來感應(yīng)開關(guān)，如果傳感器長時間感應(yīng)不到人的存在（既檢測器達到檢測測定時間），進而啟動紫外線消毒燈，達到消毒滅菌的目的。

5 系統(tǒng)測試

在準備好各個硬件后，開始焊接。首先依照個元件大小按從小到大排列，再依次焊接。對于芯片，首先焊接最外邊的引腳用來固定好芯片，然后再按順序進行焊接。硬件焊機完畢開始各功能模塊的測試，分別對TFT-LCD 液晶屏、短信提醒功能、DHT11溫濕度傳感器、MQ-135 空氣傳感器、按鍵等進行了功能調(diào)試。經(jīng)調(diào)試項目完成了超速報警功能、遠程控制開關(guān)功能、用車計費功能、自動消毒功能、車內(nèi)環(huán)境監(jiān)控功能。