基于单片机和计算机语言自动破窗系统设计及应用

李瑞英，王昱锦，孔钰媛，吴春梅，姜赫，王馨玉，刘永皓，徐权，张冰倩，何晓颖

（大庆师范学院 机电工程学院，黑龙江大庆，163712）

1 研究背景现状及意义

伴随着汽车产业的发展，汽车起火以及汽车落水无法逃离最终导致死亡的案例随着近几年私家车辆的不断增加而逐年增高。而根据April 的统计，仅在2012 年这一年就有11000 起车辆驶出公路冲进水中事故，这些事故中有3%的人因其死亡，因此车内逃生装置的发展成为了一种趋势。车辆落水事故所造成的危害性和严重性，主要表现在以下几个方面。车辆落水后，会以较快的时间沉入水底，因此留给车内乘员逃生的黄金时间极其短暂。车辆落水后，车门内外形成水位压力差过大，即使是强壮的成年男性也无法通过打开车门逃生，更何况车内一般还会有女性及体弱的儿童、老人，因此从车门逃生是不可能的，而从车窗逃生则将成为落水后逃生的唯一出路。随着车辆落水，往往会使车辆电路设备短路，电动车窗无法工作。车辆落水后，即使消防人员及时赶到，而车在落水后水将降低外部破窗机械的力量，导致无法破窗，从而车内人员将无法即时逃生[1]等。

设计拟采用STM32F103C8T6 型单片机作为中枢控制区，以温度、二氧化碳、气压传感器模块扫描并检测车内温度、二氧化碳浓度、车内外大气压力差，将检测数值读取，经过加工处理后传输到ECU 进行处理分析，ECU 通过与之前设定好的数值进行比对，根据温度、二氧化碳浓度、大气压力等数值综合判断，判断是否有能进行破窗的条件，然后将所得出结果传输给单片机，而后装置根据所收集的数据做出相应的操作，如执行破窗则继电器启动传递给破窗装置信息执行破窗。并将温度、二氧化碳浓度、大气压力差等数据显示在装置内置的12864 液晶显示屏上，另设独立按键可进行手动破窗、复位等操作，系统通过模拟车辆正常运行时的数据并根据对比进行破窗的功能。

2 自动破窗系统的软硬件设计及实现

设计的自动破窗系统主要以STM32F103C8T6 型单片机作为主控芯片，12864 液晶作为显示器，结合身为执行器的蜂鸣器报警模块、LED 发光二极管和破窗装置；还有身为传感器部分的二氧化碳模块、温度模块、大气压强模块；以及控制单元部分负责监测传感器输出的信号的控制单元这三大功能板块构成。当监测到车内空气中二氧化碳浓度以及车内温度过高时，系统将判断车内有危险发生，使用破窗锤敲击击碎前挡风玻璃，使车内人员逃生，完成整个遇险逃生过程[2]。

2.1 研究内容

项目研究主要内容：对空气中二氧化碳浓度、车内温度、车内外大气压力进行监测，当发现车辆处于险情中时将发出警鸣并击碎前挡风玻璃；复原按键，本装置可以在工作之后通过按键复原进行二次利用；本装置可以把当前空气中的二氧化碳浓度、温度、内外压强实时显示在液晶显示屏上；为了使误差处于较小范围，各个装置的灵敏度经过挑选都应达到相应的标准；调整模拟温度的幅度，来测试该装置在外部环境下是否能够达到预期的工作状态；可以使用高寒高温的极度天气，并正常工作，足以体现本装置可靠性。预期目标：本设计系统通过对车内二氧化碳、温度数据的分析和内外大气压力的感应，作为车内环境监测的参考，如果有人在车内发生险情，整个系统会根据车内环境参数的变化来控制破窗器进行破窗从而实现对人员进行救助的功能。

自动破窗系统以单片机STM32F103C8T6 作为主板与大气压力传感器、温度传感器、二氧化碳浓度传感器、报警器、破窗装置等检测执行装置相结合所设计出来的[2]。且另设亏电装置，在破窗装置内部电力短缺时进行提醒，以即时补充电源。系统利用温度传感器、二氧化碳浓度传感器、大气压力传感器来采集车辆环境参数，由中央处理器检测数值，当数值超过峰值时，系统立即触发破窗操作，以此来发展达到国家安全进行防护的效果。

2.2 系统软件设计

软件设计使用了STM32F103C8T6 这款型号的单片机，用C 语言编写的代码需要通过一系列操作使其编译成HEX文件后才能下载烧录到单片机的内存中如图1 所示，供我们使用。软件设计的总体思路如图2 所示，为了保证算法的准确性和有效性，系统对数据的采集和处理进行分析，将分析内容进行处理。 此外，为了系统不会出现错误在每次启动后都会进行自检，自检完成后开始进行循环操作，在不发生意外的情况下，模块测试将继续循环进行。 当检测到车辆的温度和二氧化碳浓度不正常时，就会进行破窗行为作业[3]。 在自检过程中发现故障时，系统也提示内部存在故障，等待故障被人工修复后再正常循环工作[4]。

图1 Keil-5 软件界面

图2 软件设计流程图

2.3 硬件设计

选用的硬件主要包括：STM32 单片机 、LCD12864 显示屏、LED 指示灯、独立按键、蜂鸣器、DS18B20 温度传感器和红外二氧化碳传感器、压电式力敏传感器大气压力传感器等。该系统主要由传感器模块、通信模块、执行模块、移动电源、微机等组成，通过试验评估该系统的正确性和可靠性，本系统能够精准运行，并且系统装置成本低、性价比高，结构简单、工作可靠、适用性和实用性较强，具有良好的市场前景。自动破窗系统的硬件框架图，如图3 所示。

图3 系统硬件框架图

先通过独立分区的检测装置中的二氧化碳传感器检测车内空气中的二氧化碳浓度；温度传感器检测车内温度；大气压力传感器检测车内外的气压差，然后通过各种传感器等器件将物理信号转变为模拟信号后，经由放大器转变为数字信号通过引脚传输给单片机内部，其电路原理图如图4 所示。然后单片机对采集到的数据和内部已经设定好的数据进行对比，执行启动继电器、破窗等一系列的后续工作。

图4 电路原理图

为了将我们的装置检测效果以及舒适度达到最好的水平，我们将根据以下几点问题来提出解决方案：

（1）我们根据如何检测车内环境是否已经达到危险数值的问题：我们采用了DS18B20 温度传感器、红外二氧化碳传感器、压电式力敏传感器大气压力传感器这三个反应灵敏，体积较小，实用性较强、能在较为严酷的环境中监测具有较高的适应能力的传感器来进行内部检测。

（2）我们根据汽车内部空间问题：该装置将破窗装置与监测装置分离，使其体积减小不会碰撞到驾驶员的头部。

（3）我们根据车内安装系统问题：采用无须在生产线上进行安装，可像行车记录仪一样可后期加装。

并且现在大多数家庭用车还未普及这类装置，市场前景高，而且使用方便、实用性强，性价比高，适合进行商业推广。

2.4 项目具体功能及实现

为保证安装后的实物是否能达到设计的要求，设置一组实验，测量不同环境对数据对传感器的检测是否会有误差，来判断监测装置是否达到设计标准。将对这两种数据测量数据测量，充足的光线代表夏天，昏暗代表冬天。调试完成后，对实物数据分析，确定系统是否符合标准。测试得到3 组数据，结果如表1、表2 和表3 所示。

表1 不同温度随阳光条件变化测试结果

70℃ 昏暗 继电器没启动，灯不亮70℃ 光线充足 继电器没启动，灯不亮90℃ 昏暗 继电器启动，灯亮90℃ 光线充足 继电器启动，灯亮

表2 不同CO2浓度随阳光条件变化测试结果

表3 不同大气压力差随阳光条件变化测试结果

由表1 可知在车内温度高于车内正常温度值时会导致继电器的启动；由表2 可知在车内二氧化碳浓度超过正常值时继电器将启动；而由表3 可知当车内外大气压力差值达到40%时继电器启动。仅仅是上述数据还不足以支撑装置的调试数据，本设计在设计时意图重复使用装置，为此我设计了另一组对照试验，设置启动复位键和未按复位键是屏幕上数据和继电器是否亮起，测得数据如表4 所示。

表4 破窗系统复位测试结果

经过调试，本文设计的破窗系统能够在误差较小的情况下完成操作，实现了简单实用的功能。由于各种元器件的特性不同，外界环境如温度、湿度等的干扰，以及焊接过程的偏差，成品设计不能达到预期的效果，因此，也需要一些物理调试。经过测试，我们设计的安全系统对车内乘客的安全救援率较高，在未失效前就达到了设计要求。具体实物图如图5 所示。

图5 实物图

2.5 目标客户

我国是现在汽车的保有量不断上涨的国家，我们的主要目标客户，小到家庭用车，大到公交巴士、地铁、高铁等大型载客车辆。近年来，世界极端天气数量不断增加，车辆行驶安全系数大幅度下降，车内安全问题显得尤为突出，这是自动破窗系统发展的机遇。在车辆拥有数不断上涨的现在，所设计的破窗装置，可以从黑龙江省推广到东北三省乃至全国甚至是全球。

图6 破窗效果图

3 项目技术实施及应用

目前高校计算机语言程序设计、单片机原理等课程教学中明显存在理论和应用的脱节问题，学生学完仍不会实操具体项目的设计与开发，不会用所学知识去设计并编程解决实际问题。针对多年教学过程中的一些思考和探索，基于目前的现状和学生的实际情况，本着提高学生适应社会的需求和增加就业筹码的目的，深入分析目前这些教学中存在的实际问题，提出了五动+双线创新教学模式，进行课程改革研究与实践，授课过程中使用该项目的子程序，这些子程序是更具体的、与专业结合更紧密的一个个生动案例来进行理论和实践一体化教学，使学生能更深刻的理解单片机和计算机语言在本专业具体有什么用，怎么用，让学习更加捷径化、具体化、实用化，理论更好联系实际。真正达到了培养好用实用的创新性人才的目的，符合我校应用型人才培养的定位，同时符合国家和社会对人才的需求。主要针对以下问题展开：以成果为导向，反向整合课程体系，正向开发线上资源；依托线上前置功能，构建了“双线”+“自动、驱动、联动、互动、行动”五动一体化动态教学模式，辅助大创学科竞赛等实践手段，打造线上线下深度融合“五动”金课；坚持立德树人，全面发展；以学生为中心，构建闭环反馈评价系统，制定了多角度全方位的考核评价体系。该教学模式的实施，有效促进了地方本科院校应用型课程教学质量的提高，深受广大应用型本科院校学生的欢迎，对所学知识掌握更加全面和认深入，能大规模推广使用。

4 结论

采用STM32F103C8T6 型单片机作为中枢控制区，检测并对比温度、二氧化碳、气压传感器模块扫描并检测车内温度、CO2等浓度、压强，能够准确判断是否执行破窗操作，且在符合条件时自主破窗操作，营救生命，该自动破窗装置可进行重复多次使用，且破窗率100%。并与企业合作将其进行商业化推广，市场前景好。项目软件程序用于教学实践，创新双线+五动教学模式，大大提升了学生理论联系实际的能力，达到了培养创新性人才的目的，符合国家和社会对人才的需求。