基于STC15W408AD单片机的车载新型智能窗设计

2018-05-23王家豪王钦正

科技与创新 2018年10期

王家豪，绳鹏，吴琦，王钦正

（合肥工业大学，安徽合肥 230002）

据环保专家介绍，目前，国家对汽车车内空气质量未颁布标准，汽车出厂合格证主要针对车子的机械安全性能，即便涉及环保问题也是指尾气排放标准，并不涉及车内空气质量。近几年来，德国、俄罗斯等国相继颁布了车内空气质量标准，美国、日本、韩国等国也采用科学方法控制车内空气质量。国家环境分析测试中心专家透露，去年对1 000辆在2003-01—03间生产的汽车，进行了为期2个半月的检测，其中竟有高达97%的车存在车内空气污染。这比2004年调查的37%的家庭装修存在室内污染高出许多。拿到新车之后，可以采用一些方法来进行治理：可采用打开汽车窗通风除有害气体，虽说方法简单，但无论从成本上或是效果上来看，综合效应得分不低，同时因为操作方便，也是被车主采用的最普遍的除味方法。当车窗紧闭时，狭小的空间使得异味变重达饱和状态，开窗透气使空气流通，动作简单且效果明显。当汽车在冬天开空调或者是夏天被日晒后，车内难闻气味都变得更加明显。因为甲醛和苯在温度高于30℃的时候释放量会随之增大，所以通风散热确实是个可行的方法。

该设计由STC15W408AD单片机，雨水检测模块，CO有害气体检测模块，光线传感器，GSM通信模块，电机驱动模块组成，具有“自动检测车内有害气体浓度，及时以短信形式向车主反馈”的功能，是一款“浓度超标并能够自动打开车窗”的新型智能车窗。

1 系统总体设计方案及各模块单元介绍

1.1 系统总体设计方案

系统由STC15W408AD单片机和以上各模块组成，这种型号的单片机为增强8051CPU单时钟／机器周期，速度比普通8051快8～12倍，片内集成512字节的SRAM，ISP/IAP，8通道10位高速ADC，速度可选30万次/秒，3路PWM还可当3路DA使用，共3通道捕获/比较单元。价格便宜，容易购买，资料丰富，使用简便。在系统中由它进行对各个模块的数据采集和控制，传感器采集到的数据由内部的变送器或者调理电路转换成标准的电信号，模拟量（0～5 V，4～20 mA），数字量，传送到单片机的相应的引脚，单片机在内部进行信号分析处理，若满足一定的条件则与TC35手机模块通过AT指令形式通信，并实时地把系统有关的各个信息传送到液晶屏上显示，和蜂鸣器、报警灯响应。为了减少材料的损耗，减轻布线的困难，该系统采用了软硬件结合的方式，智能调节车内环境情况，并检测危险气体，防止事故的发生，该系统的总体框图如图1所示。

图1 系统的总体框图

图2 粉尘传感器原理示意图

1.2 各个模块单元介绍

1.2.1 PM2.5传感器

ZPH01粉尘传感器，工作电压范围5 VDC，工作电流小于等于150 mA，工作环境为0～50℃。其检测原理是，加热源对位于其中的粉尘颗粒加热，发射光源照射之后由接收器接收，再转化为电信号并输出。它有5个引脚，PIN1控制脚，PIN2输出脚（OUT2，RXD，PM2.5），PIN3电源正，PIN4输出脚（OUT1，TXD），PIN5电源地。粉尘传感器工作原理如图2所示。

分析说明，在粉尘传感器中内置一个加热器，加热引起气流上升使外部空气流进传感器内部，从而可以检验香烟、房屋灰尘、花粉等。控制脚的脚位为输出模式控制（悬空为PWM模式，GND为串口模式），OUT2脚的串口模式下为RXD，PWM模式下为输出脚，OUT1脚的串口模式下为TXD。

1.2.2 光敏电阻模块

使用的引脚是：CCP1，ADC0，P1.0。

功能：光线亮度检测,光线亮度传感器。

模块特色：比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15 mA；配可调电位器可以调节检测光线亮度。输出形式：数字开关量输出（0和1）；使用宽电压LM393比较器。

模块使用说明：①光敏电阻模块对环境光线最敏感，一般用来检测周围环境的光线的亮度，触发单片机或继电器模块等；②模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平；③DO输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变。

1.2.3 MQ7 CO传感器模块

主要芯片：LM393、MQ-7一氧化碳传感器模块。

工作电压：DC 3.0～5.5 V，使用引脚P1.2。具体为：①双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；②TTL输出有效信号为低电平，可直接接单片机IO口；③模拟量输出0～5 V电压，浓度越高电压越高，二者为正比关系；④对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。

1.2.4 温湿度传感器DHT11

使用P1.3口：sbitDQ =P1^3；

引脚介绍：PIN1：VDD供电电压3.3～5 VDC；PIN2：串行数据，单总线；PIN3：NC； PIN4：接地，微处理器DHT11之间的通讯和同步采用单总线数据格式，一次通讯时间4 ms左右。具体格式在下面，流程如下：一次完整的数据传输为40 bit，高位先出。

8位湿度整数8位温度小数8位温度整数。

数据传送正确时校验和数据等于8 bit湿度整数＋8 bit温度整数。

电气特性：VDD＝5 V，T＝25℃。

用户MCU发送一次信号后，从低功耗模式转化为高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40 bit数据，并触发一次信号采集，采集数据后转化为低速模式。通讯过程见图3.

主机空闲时为高电平，拉低18 us以后保证了DHT11能接受到并等待响应信号，DHT11接收到主机的开始信号后等待主机开始信号结束然后发送80 us低电平响应信号，主机发送开始信号结束后延时20～40 us等待DHTII的响应信号。数字0信号电平变化图和通讯初始化要求图分别见图4和图5.

图3 通讯过程图

图4 数字0信号电平变化图

图5 通讯初始化要求图

1.2.5 雨滴传感器模块

使用引脚；P1.1CCP0，ADC1；

引脚：PIN1：VCC，PIN2：V0，PIN：GND.

使用的Arduino模块原理：Arduino机器人套件，雨滴，下雨传感器，可用于各种天气状况的监测，并转成数定信号和AO输出，主要关注以下几点：①传感器采用高品质FR-04双面材料，超大面积5.0×4.0 cm，并用镀镍处理表面，具有对抗氧化，导电性，及寿命方面更优越的性能；②比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15 mA；③配电位器调节灵敏度；④工作电压3.3～5 V；⑤输出形式，数字开关量输出（0和1）和模拟量AO电压输出；⑥使用宽电压LM393（LM393数据手册）比较器。

1.2.6 LM298电机模块

使用引脚：P5.4 RST，MCLKO P5.5CAP，内部包含4路逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，内含两个高电压大电流H桥双全桥式驱动器，接收标准的TTL电平，可驱动46 V，2A以下的电机。

1.2.7 GSM通信模块

TC35是Siemens公司新一代无线通信GSM模块，其主要由GSM基带处理器，GSM无线模块，电源模块（ASIC），闪存，ZIF连接器，天线接口6部分组成。TC35的基本性能：传输数字和音频信号。单电压供电313～515 V。低功耗：处于睡眠状态时仅310 mA。支持EGSM900和GSM1800双频。GSM类型：小型移动站。传输功率：EGSM900为2 W；GSM1800为1 W。支持语音、数据、短消息和传真服务。支持3种语音编码的传送速率。短信息服务：文本和数据协议单元模式。传输速率：214 kB，418kB，916 kB。传真：第3组，第1类，第2类。大小： 541 533 636 185 mm。标准协议的认证。采用GSM Phase2?2+标准。SIM卡：由连接界面从外部连接。SIM卡支持，3 V、118 V（118 V需要分开检测，并且在GSM 11110下合法)。语音接口，模拟（麦克风，耳机，免提方式）。界面接口，RS232（CMOS标准），AT控制下的双总线（数据，命令）。电话本：通过SIM卡实现。TC35的复位：通过AT命令或者Power Down信号实现复位。可选波特率：300 bs～115 kbs。自动波特范围：112～115 kbs。软件下载：RS232或者SIM卡。时钟：321 768 kHz。

2 硬件设计

各个模块的引脚使用情况已经在第1部分论述，ZPH01粉尘传感器模块仅使用它的TXD引脚与单片机进行通信，同时需要提供5 V电源电压，光敏电阻和雨水检测模块的原理相同，在这里我们都是用D0引脚输出数字量，以提高稳定性和抗干扰能力，温度湿度模块DHT11使用DATA引脚向单片机的P1.3/ADC3/MOSI引脚传送数据，单片机在通过软件进行校验确保数据正确。

图6 系统的整体硬件连接

图7 主程序流程图

图8 中断服务程序流程图

P1.4 P1.5这2个引脚的开关为限位开关，用来手动控制窗户的开闭，其中P1.4为打开，P1.5为关闭。GSM模块在与单片机相连时只需要用到RXD模块接受单片机发来的AT指令和数据。而设计中用到的LCD液晶显示屏NOKIA 5100的BL背光引脚，RST复位引脚和电源引脚都接VCC，而使能信号CE，数据信号DIN，时钟信号CLK等都受单片机控制。电机驱动模块LM298的IN1和IN2引脚为运动控制引脚，控制电机的正转和反转，输出引脚OUT1和OUT2，要加上钳位二极管1N4007，参考电源端接VCC，则系统的整体硬件连接如图6所示。

3 软件设计

采用keil uvision开发软件进行编程、下载、调试，使用stc-isp-15xx-v6.80软件和51单片机程序下载烧写器将编写好的程序下载到单片机中，在设计中，对STC15W408AD单片机进行编程，实时地进行信号分析，采集，计算和处理的工作，通过电机驱动模块控制电机的正常运行，在这个短信模块中使用了两条 AT指令，即 AT+CMGF=?以及AT+CMGS=?,用Keil C51实现也比较容易。主程序：首先单片机进行延时等待GSM注册完成，依次读取温度和湿度数据并显示，如果CO浓度超标，则短信提醒，开窗通风，蜂鸣器响，指示灯亮，当窗户处于关闭状态时，若室内有害气体超标且是白天不下雨，则自动开窗通风，调节室内环境。中断服务程序：主要用于外部中断处理温湿度传感器DHT11的数据信息，首先通过串口接收1个数据，判断是否为0xff，再接受一个判断是否为0x18，再进行求和校验，如果校验成功，计算并收集数据。主程序和中断服务程序的流程图分别如图7、图8所示。