基于單片機和計算機語言自動破窗系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

李瑞英，王昱錦，孔鈺媛，吳春梅，姜赫，王馨玉，劉永皓，徐權(quán)，張冰倩，何曉穎

（大慶師范學(xué)院 機電工程學(xué)院，黑龍江大慶，163712）

1 研究背景現(xiàn)狀及意義

伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，汽車起火以及汽車落水無法逃離最終導(dǎo)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(jù)April 的統(tǒng)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(nèi)逃生裝置的發(fā)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(xiàn)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(nèi)乘員逃生的黃金時間極其短暫。車輛落水后，車門內(nèi)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(nèi)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(shè)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(dǎo)致無法破窗，從而車內(nèi)人員將無法即時逃生[1]等。

設(shè)計擬采用STM32F103C8T6 型單片機作為中樞控制區(qū)，以溫度、二氧化碳、氣壓傳感器模塊掃描并檢測車內(nèi)溫度、二氧化碳濃度、車內(nèi)外大氣壓力差，將檢測數(shù)值讀取，經(jīng)過加工處理后傳輸?shù)紼CU 進行處理分析，ECU 通過與之前設(shè)定好的數(shù)值進行比對，根據(jù)溫度、二氧化碳濃度、大氣壓力等數(shù)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(jié)果傳輸給單片機，而后裝置根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的操作，如執(zhí)行破窗則繼電器啟動傳遞給破窗裝置信息執(zhí)行破窗。并將溫度、二氧化碳濃度、大氣壓力差等數(shù)據(jù)顯示在裝置內(nèi)置的12864 液晶顯示屏上，另設(shè)獨立按鍵可進行手動破窗、復(fù)位等操作，系統(tǒng)通過模擬車輛正常運行時的數(shù)據(jù)并根據(jù)對比進行破窗的功能。

2 自動破窗系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及實現(xiàn)

設(shè)計的自動破窗系統(tǒng)主要以STM32F103C8T6 型單片機作為主控芯片，12864 液晶作為顯示器，結(jié)合身為執(zhí)行器的蜂鳴器報警模塊、LED 發(fā)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(jiān)測傳感器輸出的信號的控制單元這三大功能板塊構(gòu)成。當監(jiān)測到車內(nèi)空氣中二氧化碳濃度以及車內(nèi)溫度過高時，系統(tǒng)將判斷車內(nèi)有危險發(fā)生，使用破窗錘敲擊擊碎前擋風玻璃，使車內(nèi)人員逃生，完成整個遇險逃生過程[2]。

2.1 研究內(nèi)容

項目研究主要內(nèi)容：對空氣中二氧化碳濃度、車內(nèi)溫度、車內(nèi)外大氣壓力進行監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)車輛處于險情中時將發(fā)出警鳴并擊碎前擋風玻璃；復(fù)原按鍵，本裝置可以在工作之后通過按鍵復(fù)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(nèi)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(jīng)過挑選都應(yīng)達到相應(yīng)的標準；調(diào)整模擬溫度的幅度，來測試該裝置在外部環(huán)境下是否能夠達到預(yù)期的工作狀態(tài)；可以使用高寒高溫的極度天氣，并正常工作，足以體現(xiàn)本裝置可靠性。預(yù)期目標：本設(shè)計系統(tǒng)通過對車內(nèi)二氧化碳、溫度數(shù)據(jù)的分析和內(nèi)外大氣壓力的感應(yīng)，作為車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測的參考，如果有人在車內(nèi)發(fā)生險情，整個系統(tǒng)會根據(jù)車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化來控制破窗器進行破窗從而實現(xiàn)對人員進行救助的功能。

自動破窗系統(tǒng)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(zhí)行裝置相結(jié)合所設(shè)計出來的[2]。且另設(shè)虧電裝置，在破窗裝置內(nèi)部電力短缺時進行提醒，以即時補充電源。系統(tǒng)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(huán)境參數(shù)，由中央處理器檢測數(shù)值，當數(shù)值超過峰值時，系統(tǒng)立即觸發(fā)破窗操作，以此來發(fā)展達到國家安全進行防護的效果。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)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(nèi)存中如圖1 所示，供我們使用。軟件設(shè)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(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集和處理進行分析，將分析內(nèi)容進行處理。 此外，為了系統(tǒng)不會出現(xiàn)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(huán)操作，在不發(fā)生意外的情況下，模塊測試將繼續(xù)循環(huán)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(yè)[3]。 在自檢過程中發(fā)現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也提示內(nèi)部存在故障，等待故障被人工修復(fù)后再正常循環(huán)工作[4]。

圖1 Keil-5 軟件界面

圖2 軟件設(shè)計流程圖

2.3 硬件設(shè)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(tǒng)主要由傳感器模塊、通信模塊、執(zhí)行模塊、移動電源、微機等組成，通過試驗評估該系統(tǒng)的正確性和可靠性，本系統(tǒng)能夠精準運行，并且系統(tǒng)裝置成本低、性價比高，結(jié)構(gòu)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(tǒng)的硬件框架圖，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框架圖

先通過獨立分區(qū)的檢測裝置中的二氧化碳傳感器檢測車內(nèi)空氣中的二氧化碳濃度；溫度傳感器檢測車內(nèi)溫度；大氣壓力傳感器檢測車內(nèi)外的氣壓差，然后通過各種傳感器等器件將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號后，經(jīng)由放大器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號通過引腳傳輸給單片機內(nèi)部，其電路原理圖如圖4 所示。然后單片機對采集到的數(shù)據(jù)和內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定好的數(shù)據(jù)進行對比，執(zhí)行啟動繼電器、破窗等一系列的后續(xù)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(jù)以下幾點問題來提出解決方案：

（1）我們根據(jù)如何檢測車內(nèi)環(huán)境是否已經(jīng)達到危險數(shù)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(yīng)靈敏，體積較小，實用性較強、能在較為嚴酷的環(huán)境中監(jiān)測具有較高的適應(yīng)能力的傳感器來進行內(nèi)部檢測。

（2）我們根據(jù)汽車內(nèi)部空間問題：該裝置將破窗裝置與監(jiān)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(jù)車內(nèi)安裝系統(tǒng)問題：采用無須在生產(chǎn)線上進行安裝，可像行車記錄儀一樣可后期加裝。

并且現(xiàn)在大多數(shù)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(yè)推廣。

2.4 項目具體功能及實現(xiàn)

為保證安裝后的實物是否能達到設(shè)計的要求，設(shè)置一組實驗，測量不同環(huán)境對數(shù)據(jù)對傳感器的檢測是否會有誤差，來判斷監(jiān)測裝置是否達到設(shè)計標準。將對這兩種數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)測量，充足的光線代表夏天，昏暗代表冬天。調(diào)試完成后，對實物數(shù)據(jù)分析，確定系統(tǒng)是否符合標準。測試得到3 組數(shù)據(jù)，結(jié)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(jié)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(jié)果

表3 不同大氣壓力差隨陽光條件變化測試結(jié)果

由表1 可知在車內(nèi)溫度高于車內(nèi)正常溫度值時會導(dǎo)致繼電器的啟動；由表2 可知在車內(nèi)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(nèi)外大氣壓力差值達到40%時繼電器啟動。僅僅是上述數(shù)據(jù)還不足以支撐裝置的調(diào)試數(shù)據(jù)，本設(shè)計在設(shè)計時意圖重復(fù)使用裝置，為此我設(shè)計了另一組對照試驗，設(shè)置啟動復(fù)位鍵和未按復(fù)位鍵是屏幕上數(shù)據(jù)和繼電器是否亮起，測得數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 破窗系統(tǒng)復(fù)位測試結(jié)果

經(jīng)過調(diào)試，本文設(shè)計的破窗系統(tǒng)能夠在誤差較小的情況下完成操作，實現(xiàn)了簡單實用的功能。由于各種元器件的特性不同，外界環(huán)境如溫度、濕度等的干擾，以及焊接過程的偏差，成品設(shè)計不能達到預(yù)期的效果，因此，也需要一些物理調(diào)試。經(jīng)過測試，我們設(shè)計的安全系統(tǒng)對車內(nèi)乘客的安全救援率較高，在未失效前就達到了設(shè)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(xiàn)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(shù)量不斷增加，車輛行駛安全系數(shù)大幅度下降，車內(nèi)安全問題顯得尤為突出，這是自動破窗系統(tǒng)發(fā)展的機遇。在車輛擁有數(shù)不斷上漲的現(xiàn)在，所設(shè)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(shù)實施及應(yīng)用

目前高校計算機語言程序設(shè)計、單片機原理等課程教學(xué)中明顯存在理論和應(yīng)用的脫節(jié)問題，學(xué)生學(xué)完仍不會實操具體項目的設(shè)計與開發(fā)，不會用所學(xué)知識去設(shè)計并編程解決實際問題。針對多年教學(xué)過程中的一些思考和探索，基于目前的現(xiàn)狀和學(xué)生的實際情況，本著提高學(xué)生適應(yīng)社會的需求和增加就業(yè)籌碼的目的，深入分析目前這些教學(xué)中存在的實際問題，提出了五動+雙線創(chuàng)新教學(xué)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(yè)結(jié)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(xué)，使學(xué)生能更深刻的理解單片機和計算機語言在本專業(yè)具體有什么用，怎么用，讓學(xué)習(xí)更加捷徑化、具體化、實用化，理論更好聯(lián)系實際。真正達到了培養(yǎng)好用實用的創(chuàng)新性人才的目的，符合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)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(dǎo)向，反向整合課程體系，正向開發(fā)線上資源；依托線上前置功能，構(gòu)建了“雙線”+“自動、驅(qū)動、聯(lián)動、互動、行動”五動一體化動態(tài)教學(xué)模式，輔助大創(chuàng)學(xué)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(fā)展；以學(xué)生為中心，構(gòu)建閉環(huán)反饋評價系統(tǒng)，制定了多角度全方位的考核評價體系。該教學(xué)模式的實施，有效促進了地方本科院校應(yīng)用型課程教學(xué)質(zhì)量的提高，深受廣大應(yīng)用型本科院校學(xué)生的歡迎，對所學(xué)知識掌握更加全面和認深入，能大規(guī)模推廣使用。

4 結(jié)論

采用STM32F103C8T6 型單片機作為中樞控制區(qū)，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(nèi)溫度、CO2等濃度、壓強，能夠準確判斷是否執(zhí)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(fù)多次使用，且破窗率100%。并與企業(yè)合作將其進行商業(yè)化推廣，市場前景好。項目軟件程序用于教學(xué)實踐，創(chuàng)新雙線+五動教學(xué)模式，大大提升了學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，達到了培養(yǎng)創(chuàng)新性人才的目的，符合國家和社會對人才的需求。