基于STM32的野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)

摘 要：為了讓野外行車變得更加安全，特別是在路況信息不明確的區(qū)域以及山坡較多、路面陡峭的地帶，行車安全尤為重要。因此，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備。該設(shè)備可監(jiān)測(cè)車輛所處位置的氣壓信息以及對(duì)應(yīng)的海拔信息，并監(jiān)測(cè)車輛的行駛狀態(tài)，將環(huán)境溫度、濕度、空氣中有害氣體的含量（一氧化碳、酒精濃度）顯示在車內(nèi)屏幕上，根據(jù)顯示屏上一氧化碳濃度和酒精濃度對(duì)所處環(huán)境的危險(xiǎn)程度進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)提醒司機(jī)。本設(shè)備還可監(jiān)測(cè)汽車前方是否有障礙物，有效避免了因?yàn)橐曈X死角而引發(fā)的野外行車事故，該設(shè)備也對(duì)司機(jī)的駕駛時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行了有效記錄，長(zhǎng)時(shí)間駕駛時(shí)還可對(duì)司機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音提醒。同時(shí)，本設(shè)備還具備WiFi連接手機(jī)屏幕顯示的功能。

關(guān)鍵詞：STM32；野外車載智能監(jiān)測(cè)；預(yù)警；OLED；WiFi；行車安全

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.003

0 引 言

隨著車聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，消費(fèi)者對(duì)車載智能化的要求越來(lái)越高，以滿足當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代應(yīng)用推廣的需要，實(shí)現(xiàn)行車安全監(jiān)測(cè)管理、行車功能智能化等目標(biāo)。

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各大行業(yè)的產(chǎn)銷水平都有很大提高。而汽車行業(yè)早在2019年之前就已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。2019年后由于受新冠病毒傳播的影響，經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不容樂觀，各大汽車品牌公司的產(chǎn)銷量略有下降，但我國(guó)每年的汽車生產(chǎn)銷售總量仍然保持著較高水平。汽車的普及使得人們出行更加方便，野外旅游也更加頻繁，而安全問(wèn)題又是野外出行過(guò)程中人們最關(guān)注的話題，本文設(shè)計(jì)的野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備就在很大程度上解決了這一問(wèn)題。在不同的行車環(huán)境中，該野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠?yàn)樗緳C(jī)提供實(shí)時(shí)行車數(shù)據(jù)，并且能夠給予有效反饋，為行車安全提供保障[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于STM32的野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)部分主要由主控芯片、加速度傳感器、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、WiFi模塊和OLED屏等組成。

圖1所示為系統(tǒng)整體框圖。主控芯片從加速度傳感器、氣壓傳感器、超聲波測(cè)距傳感器中獲得數(shù)據(jù)并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，由OLED液晶顯示屏在車內(nèi)顯示。當(dāng)行駛過(guò)程中出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，語(yǔ)音播報(bào)模塊會(huì)提示車內(nèi)人員，同時(shí)該系統(tǒng)也可連接WiFi，在手機(jī)APP界面顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 主控芯片

本設(shè)計(jì)中芯片用于獲取系統(tǒng)中其他傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息，基于設(shè)計(jì)成本考慮，選用STM32F030C8T6作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。使用軟件Altium Designer設(shè)計(jì)原理圖，該軟件應(yīng)用較為廣泛且使用方便快捷，能有效提高原理圖的設(shè)計(jì)速度和準(zhǔn)確性。

STM32F030C8T6的工作頻率為48 MHz，該系列微處理器具有增強(qiáng)型外設(shè)和I/O。STM32F030C8T6封裝體積小，相比8位單片機(jī)性能更優(yōu)。STM32F030ARM可控制應(yīng)用和用戶界面、家用電器、打印機(jī)、報(bào)警系統(tǒng)等[2]。

1.3 BMP180氣壓傳感器模塊

BMP180是一款數(shù)字氣壓傳感器，它是由壓阻傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、帶串行接口的控制單元組成。其主要功能是測(cè)量環(huán)境氣壓，還可通過(guò)溫度和氣壓計(jì)算出所處地的海拔高度。該傳感器具有功耗低、電壓低的特點(diǎn)，其精確度高，非常適用于野外車載設(shè)備。BMP180通過(guò)主機(jī)發(fā)送器件地址、寄存器地址和控制寄存器數(shù)據(jù)，并讀取壓力值和溫度值

數(shù)據(jù)[3]。

1.4 ADXL345三軸加速度傳感器模塊

本設(shè)計(jì)使用ADXL345三軸加速度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)汽車的行駛狀態(tài)。該傳感器在汽車電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。它通過(guò)I2C協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，其功率的損耗較低，分辨率高，測(cè)量范圍也高于同類型的加速度傳感器。在本設(shè)計(jì)中，ADXL345符合野外車載功能需求，可以測(cè)量出車輛在平整路段的速度，即使車輛處于不平整路段，依然能夠測(cè)量出其重力數(shù)據(jù)[4]。ADXL345有4種涉及電源功耗的工作方式：正常模式、省電模式、自動(dòng)休眠模式和待機(jī)模式。在正常模式下，消耗的電源功率與數(shù)據(jù)輸出速率成正比[5]。

1.5 JQ8400語(yǔ)音播報(bào)模塊

JQ8400語(yǔ)音模塊把數(shù)碼還原成它所代表的內(nèi)容，把信號(hào)轉(zhuǎn)換成它所代表的信息，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。JQ8400語(yǔ)音模塊的尺寸相較于其他同類型的產(chǎn)品更加合理，結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)也使得很多公司對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)變得更加簡(jiǎn)單[6]。

1.6 超聲波測(cè)距模塊

本設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊。驅(qū)動(dòng)HC-SR04超聲波測(cè)距需要提供1個(gè)脈沖信號(hào)，此時(shí)超聲波探頭會(huì)發(fā)射8個(gè)方波信號(hào)，定時(shí)器啟動(dòng)，當(dāng)超聲探頭檢測(cè)到回波信號(hào)時(shí)，ECHO引腳把高電平拉低，定時(shí)器停止定時(shí)[7]。

1.7 WiFi模塊

WiFi模塊是可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娮幽K。它由1個(gè)無(wú)線芯片和1個(gè)微處理器組成，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)線芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送到接收器，接收器將其傳輸?shù)轿⑻幚砥?。微處理器根?jù)需要進(jìn)行解碼等操作，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備的操作系統(tǒng)。大部分硬件設(shè)備嵌入WiFi模塊便可直接利用WiFi入網(wǎng)。WiFi技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車電子、智能車載等應(yīng)用的重要組成部分[8]。

1.8 OLED顯示模塊

目前常見的顯示屏模塊有LCD和OLED兩種。基于野外車載智能檢測(cè)設(shè)備需根據(jù)模塊大小、輸入功率和輸出功率的差額以及功能性因素等進(jìn)行屏幕的選擇。本設(shè)計(jì)選用0.96英寸的OLED顯示屏作為顯示模塊。OLED具有亮度高、發(fā)光率好、更輕薄、更省電等特點(diǎn)。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，OLED顯示屏?xí)@示數(shù)據(jù)。

1.9 DHT11溫濕度傳感器模塊

DHT11溫濕度傳感器集成度高，可同時(shí)測(cè)量當(dāng)前環(huán)境的溫度與濕度。相比分別用溫度和濕度傳感器采集信息的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，電路硬件接口設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，它只需采用單線制接口即可與控制器相連[9]。這種傳感器性能穩(wěn)定、功耗低，信號(hào)傳輸距離也比同類型的傳感器更長(zhǎng)，連接比較

方便[10]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。首先對(duì)野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的主控程序進(jìn)行編寫，之后對(duì)各外設(shè)模塊進(jìn)行程序編寫，包括加速度傳感器、氣壓傳感器、OLED、DHT11溫濕度傳感器等。最后對(duì)各模塊程序進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，使系統(tǒng)正常工作，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和上傳分析等。主程序是系統(tǒng)程序的入口，野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備上電開機(jī)后，通過(guò)主控程序初始化各外設(shè)模塊，STM32F030C8T6通過(guò)控制各模塊，實(shí)現(xiàn)溫濕度、氣壓、海拔高度以及一氧化碳、酒精濃度等數(shù)據(jù)的顯示。

2.2 BMP180氣壓傳感器程序設(shè)計(jì)

在此設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)上電后進(jìn)行傳感器初始化，BMP180氣壓傳感器開始收集氣壓、溫度信息，將采集的信息傳輸給單片機(jī)后求平均值，以減少數(shù)據(jù)誤差。通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，獲取氣壓數(shù)據(jù)后，通過(guò)氣壓和溫度計(jì)算公式即可估算出當(dāng)前的海拔高度。圖3為該氣壓傳感器設(shè)計(jì)流程。

2.3 DHT11溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)

DHT11溫濕度傳感器具有單線制串行接口特點(diǎn)，該特點(diǎn)使得系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。首先初始化DHT11，讀取溫濕度低字節(jié)和高字節(jié)，整合數(shù)據(jù)，最后通過(guò)計(jì)算公式計(jì)算出溫濕度值。圖4為溫度檢測(cè)程序子流程。

傳感器設(shè)計(jì)流程 傳感器設(shè)計(jì)流程

2.4 超聲波測(cè)距模塊程序設(shè)計(jì)

復(fù)位定時(shí)器計(jì)數(shù)值，接著給超聲波發(fā)送高電平，等待超聲波模塊返回信號(hào)。當(dāng)接收到信號(hào)后，開始計(jì)時(shí)，信號(hào)結(jié)束則停止計(jì)時(shí)。高電平持續(xù)的時(shí)間是從發(fā)射到返回的時(shí)間。通過(guò)溫度補(bǔ)償計(jì)算距離。通過(guò)距離=（時(shí)間×速度）/2。判斷距離值是否超過(guò)量程，如果超過(guò)量程則將距離值設(shè)置成最大量程值。圖5為超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)流程。

2.5 WiFi程序設(shè)計(jì)

首先打開野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備和智能手機(jī)的WiFi，使兩者建立連接，接著把記錄在野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備中的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi傳輸?shù)绞謾C(jī)中。

本設(shè)計(jì)選用的WiFi模塊為ESP8266。WiFi連接成功后，服務(wù)器將等待接收數(shù)據(jù)。主機(jī)采集到數(shù)據(jù)后，打包發(fā)送到云服務(wù)器，然后在手機(jī)頁(yè)面上顯示接收的數(shù)據(jù)。圖6所示為WiFi模塊流程，圖7所示為手機(jī)APP界面顯示圖。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)測(cè)試中，對(duì)報(bào)警模塊、蜂鳴器以及語(yǔ)音播報(bào)模塊的正常運(yùn)行做了詳細(xì)測(cè)試。當(dāng)行駛時(shí)間超過(guò)初始值40 s時(shí)，系統(tǒng)會(huì)語(yǔ)音提示“你已長(zhǎng)時(shí)間駕駛，請(qǐng)停車休息”，同時(shí)手機(jī)APP上會(huì)顯示“疲勞駕駛”紅色字樣，以提醒駕駛員。當(dāng)酒精濃度超過(guò)初始值的12％時(shí)，系統(tǒng)會(huì)語(yǔ)音提示“酒精濃度過(guò)高，請(qǐng)立即停車”，同時(shí)手機(jī)APP會(huì)顯示“危險(xiǎn)駕駛”紅色字樣，以提醒駕駛員。通過(guò)測(cè)試，各模塊對(duì)酒精濃度以及行駛時(shí)間的靈敏度均正常。表1所列為測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)該系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)分析，同時(shí)也對(duì)整體系統(tǒng)做了測(cè)試。該設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到野外車載智能監(jiān)測(cè)設(shè)備的基本功能要求，整體設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)且可靠。筆者相信，更強(qiáng)大、更生態(tài)、更豐富的車載智能系統(tǒng)指日可待，而智能車載日后也會(huì)成為大眾的關(guān)注對(duì)象。

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收稿日期：2023-05-12 修回日期：2023-06-15