车内紧急状况远程报警系统的设计

摘 要：随着社会的进步发展，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具，然而，随着汽车使用的普及，在夏季高温天气下，儿童被遗忘在车内导致的悲剧性事件时有发生，可能导致儿童窒息或死亡，这对车内安全系统提出了迫切要求，为了解决上述问题，文章设计出了一种车内紧急状况远程报警系统，该系统能够快速、准确地检测车内温度和声音。当车内温度和声音同时达到预设阈值时，系统将触发车内报警装置，并通过通信模块发送警报信息到家长的手机上，实现了对温度与声音的检测与报警功能。系统利用了多元检测和报警方法，不仅能有效防止儿童在车内遭受意外伤害，还为智能安防技术与其他领域的发展提供了有益的探索和借鉴。

关键词：单片机 温度检测 声音检测 远程报警

近年来，夏季高温天气下儿童被遗忘在车内导致的悲剧性事件时有发生，这种环境对于儿童来说很容易导致中暑、窒息甚至死亡。研究表明，儿童哭声的声强和持续时间因情绪和需求而异，常见声强在60dB到90dB之间。因此，结合车内温度和声音两个物理指标，可以有效判断车内是否存在危及儿童生命的情况。

随着智能传感器技术的迅速发展和报警系统的逐渐出现，本文针对儿童被遗忘在车内的严重问题，设计出一种能够根据车内温度和儿童哭声的数据变化的报警系统。

1 系统工作原理

系统设计采用模块化设计的思路，各模块功能明确，便于开发、调试与扩展。可以迅速采集与处理数据，易用性强，以多种报警方式避免危险情况的发生。方案将系统划分为输入与输出两个部分，以确保对车内环境的全面检测和及时报警。

在输入部分，通过设计温度检测模块与声音检测模块实现了对车内实时温度与声音信号进行实时采集的功能，通过三个独立按键实现模式切换以及温度与声音阈值高低调整的功能。

在输出部分，方案设计了显示模块，负责显示设定的温度与声音阈值以及车内的实时温度和声音，实现对车内环境数据的显示与蜂鸣器报警功能。同时，远程报警功能能迅速将车内信息发送到用户手机上，实现远程提醒。

系统上电后，初始化各个模块，温度检测模块检测当前环境温度，并将信号输出给主控芯片。声音检测模块将当前环境声音信号转换为模拟信号并将信号传输给A/D转换模块。A/D转换模块对声音检测模块的模拟信号转换为数字信号输出给主控芯片。显示模块显示初始信息，包括当前设定的温度和声音阈值。系统每秒执行一次数据采集和处理，将采集到的温度和声音数据显示在显示模块上。报警模块检查温度和声音是否超过预设的报警阈值。如果超过阈值，则在显示模块上显示警告、启动蜂鸣器报警、通信模块发送报警短信。

2 系统核心模块硬件设计

2.1 主控芯片选择

在设计车内紧急状况远程报警器的过程中，由于52单片机是经典的8位主控芯片，具有高集成度、高可靠性和价格实惠的优点，其中用途最广泛的单片机型号主要有两种，分别是AT89C52单片机与STC89C52RC单片机。STC89C52RC是STC推出的新一代高速，宽电压，低功耗，超强抗干扰，高性能CMOS8位单片机，工作电压：3.8V-5.5V，工作频率范围：0到35MHz，是8k字节程序空间的可反复擦写的Flash（闪存）只读程序存储器（ROM）和512字节的随机存取数据存储器（RAM），它的体积小而且供电量低，处理速度快，内部空间大，所以将STC89C52RC单片机作为主控芯片。由于大多数的以52为内核的单片机，其内部已经包含了一定数量的程序存储器，在外部只要增加内部时钟电路和复位电路即可构成单片机最小系统设计，如图2所示。

2.2 温度检测模块设计

由于车内紧急状况远程报警器需要对环境温度进行精准检测，本设计通过对比NTC热敏电阻、RTD、热电偶和DS18B20数字温度传感器，由于NTC热敏电阻的测量精度较低，受外界环境影响较大，热电偶是一种利用两种不同金属的热电效应来测量温度的传感器，但是其输出信号非常微弱，需要高精度的放大器，且测量精度相对较低，RTD的缺点是响应速度较慢，成本较高，不太适合成本较低的嵌入式系统，DS18B20数字温度传感器的测量精度可达±0.5℃，可以直接输出数字信号，输出数据稳定，适合精确温度测量，因此DS18B20成为最佳选择。

基于DS18B20的快速感知特性，温度检测模块可以与报警模块集成，构建完整的报警系统。当环境温度超出设定范围时，报警模块可以触发报警并采取对应的措施，保障车辆内部儿童的安全。DS18B20温度传感器的检测范围（-55℃～+125℃）可以完全满足系统硬件设计对检测车内环境具体温度的需求。

2.3 声音检测模块设计

声音检测模块在车内紧急状况远程报警器中起到关键作用，本设计选择电容式拾音器作为声音检测设备的最佳选择。模块内置电容式拾音器与电容式滤波器，将滤波后的信号经过漂零处理将优化后的声音信号输出。声音检测模块由变送模块、漂零模块组成，变送模块将采集到的声音信号转换为模拟量输出，促进模块内数据的传输。漂零模块主要通过补偿漂移，确保数据准确可靠。

2.4 显示模块设计

由于车内紧急状况远程报警器需要对实时温度与声音进行精确显示，对可视化与用户交互要求较高，因此选择合适的显示设备至关重要。LCD1602是一种字符型液晶显示模块，可以显示ASCII码的标准字符和其他的一些内置特殊字符，还可以有8个自定义字符，显示容量为6×2个字符，显示内容丰富，控制简单，成本适中，成为显示设备的最佳选择，能够满足系统的要求。显示模块中LCD1602的1至3端口分别与电源地，电源正极，10K电位器相连，16端与电源地相连，作为背光负极。

2.5 按键模块设计

按键模块操作过程中，独立按键被按下会产生电信号脉冲，电信号会被传递STC89C52RC单片机进行处理。通过这三个按键，用户可以随时切换模式并调整对预设温度阈值或声音阈值高低的控制。独立按键K1、K2、K3用于设置温度和声音的报警阈值。

2.6 通信模块设计

通信模块采用SIM900A，该模块支持多种通信方式和功能，包括数据传输、短信、语音通话等。采用低功耗设计，通信稳定可靠，数据传输速度快，接口简洁。SIM900A通信模块是一种广泛应用于嵌入式系统的通信模块，由主控芯片、通信接口、天线、SIM卡插槽、电源接口等组成。

2.7 统整体硬件电路的设计

系统硬件电路主要由单片机最小系统、温度检测模块、声音检测模块、A/D转换模块、按键模块、LCD1602液晶显示屏、通信模块等组成。

DS18B20温度传感器对环境温度进行实时监测。声音检测模块将检测到的声音模拟信号经过滤波与放大，传给A/D转换模块，A/D转换模块使用PCF8591将模拟信号转化为数字信号后传给单片机，单片机得到信号后，将检测值与阈值相对比，如果超过阈值，将触发蜂鸣器、LCD1602液晶显示屏在车内报警，同时通过通信模块向车主发送短信报警，将紧急情况及时通知用户。同时，单片机在得到温度信号后，将检测值与阈值相对比，如果超过阈值，同样会在车内与车外报警。如果低于阈值，将关闭蜂鸣器，停止显示屏在车内报警。系统通过三个独立按键随时调整系统所设定的温度与声音阈值高低。

3 系统软件设计

3.1 系统总体软件流程

车内紧急状况远程报警器的软件采用模块化设计，层次清晰，使用C语言进行编程，由温度检测模块，声音检测模块、PCF8591模块，LCD显示模块，蜂鸣器报警模块，SIM900A通信模块组成，各模块互相集成构成了完整的软件系统。系统总体软件流程图如图3所示。

程序开始运行后，主程序会首先对单片机、LCD显示模块、PCF8591等模块进行初始化，以确保各部分程序正常运行，然后进入主循环。进入主循环后，主程序会调用相应的模块对数据进行读取、处理与传送。序进入正常状态以后，LCD1602可以直观地显示环境中的温度与声音数据，方便用户随时通过按键切换模式修改温度与声音阈值的高低。当实际的环境温度和声音同时超过阈值或其中一个超过阈值时，系统将通过翻转蜂鸣器发出持续的报警声，并通过LCD显示“warning！！！”的警示信息，同时通过通信模块向用户手机发送报警短信进行报警。

3.2 A/D转换程序设计

A/D转换程序的设计流程图分为两步，第一步：PCF8591初始化程序，在PCF8591_init（）函数中，单片机通过I2C总线协议向PCF8591模块发送初始化命令，设置读取模拟值的通道参数。第二步：读取A/D值程序，在AD_read（）函数中，首先通过I2C总线发送读取指令给PCF8591模块，然后从模块中读取返回的AD值，并将其作为函数的返回值。

声音传感器模块输出的模拟信号范围是0V到3.44V。为了将声音传感模块得到的模拟信号转换为分贝值，并在液晶屏上显示，需要将声音传感模块的模拟输出的模拟信号通过PCF8591转换为数字信号。所以将模拟输出带入模拟信号转换公式，得出PCF8591输出的数字值AD value与分贝值的公式，数字值AD value与分贝值的公式如公式（1）所示：

（1）

3.3 LCD1602显示程序设计

LCD1602程序开始之后，首先通过写命令，设置系统光标位置，进行LCD1602初始化，再通过发送数据与设置光标位置和一系列数据处理就可以在LCD1602上指定位置显示字符、字符串、数字。LCD通过初始化与发送指令确定显示字母与数字的位置与长度，通过写指令与写数据完成对数据完成对数据的传输与显示。

3.4 报警程序的设计

当系统初始化完成后，通过温度传感器与声音检测模块读取温度与声音数据，读取数据后，系统会将当前数据与设定阈值进行比较，当环境温度与分贝值同时达到设定的阈值，或者其中一个达到阈值时，系统就会触发蜂鸣器蜂鸣发出持续的警报声报警，当环境温度与分贝值同时低于设定的阈值，或者其中一个低于阈值时蜂鸣器就停止报警。系统使用无源蜂鸣器报警，通过集成电路驱动蜂鸣器报警，同时，通过短信通知用户，无论用户是否在车辆附近，都能及时获知车内状况，确保安全。这种报警设计提高了系统的实时性和有效性，为车辆用户提供了可靠的紧急报警方式，防止危险的发生。

4 总结与展望

文章以STC89C52RC为核心芯片，设计了一种对车内温度和声音两个物理指标进行实时检测和报警系统。通过硬件设计，软件编码和实际测试，本设计实现了对车内温度与声音的检测和报警功能，系统符合设计原则，实现了预期功能。

本设计可以进一步优化系统的稳定性和可靠性，通过改进硬件来提高温度和声音监测的准确性，也可以在报警器中考虑增加更多的安全功能，如远程控制和远程监控，来实现对更车辆内外的管理和控制。同时可以开发功能更加完善的报警器，将报警器推广到更广泛的应用场景，如工业环境监测、智能家居安防等领域，满足不同场景下的需求。

参考文献：

[1]何利民.单片机高级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2]杨光友.单片机微型计算机原理及接口技术[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[3]梅丽凤，王艳秋，汪毓铎，等.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社.