儿童车内滞留监测控制系统的设计

目  录

摘要----------------------------------------------------------------- I

ABSTRACT------------------------------------------------------------ II

1  绪论-------------------------------------------------------------- 1

1.1  研究背景---------------------------------------------------- 1

1.2  发展现状---------------------------------------------------- 1

1.3  主要任务---------------------------------------------------- 2

2  总体设计方案------------------------------------------------------ 3

2.1  系统需求分析------------------------------------------------ 3

2.1.1适宜人体的温度需求------------------------------------- 3

2.1.2  CO2--------------------------------------------------- 3

2.1.3  儿童滞留安全------------------------------------------ 4

2.2  系统方案设计------------------------------------------------ 5

3  系统硬件设计------------------------------------------------------ 6

3.1  STM32单片机------------------------------------------------- 6

3.2  OLED显示屏模块---------------------------------------------- 8

3.2.1  OLED显示屏的特点------------------------------------- 9

3.2.2  OLED显示屏的优点------------------------------------ 10

3.2.3  OLED显示屏的电路设计-------------------------------- 10

3.3  温度采集模块----------------------------------------------- 11

3.4  人体红外线感应模块----------------------------------------- 12

3.4.1  HC-SR501的原理-------------------------------------- 12

3.4.2  HC-SR501电路设计------------------------------------ 13

3.5  二氧化碳浓度模块------------------------------------------- 14

3.6  移动通信模块----------------------------------------------- 16

3.7  整体硬件电路设计------------------------------------------- 16

4  软件设计--------------------------------------------------------- 18

4.1  主程序设计------------------------------------------------- 18

4.2  人体感应设计----------------------------------------------- 18

4.3  二氧化碳传感器设计----------------------------------------- 19

4.4  温度传感器设计--------------------------------------------- 20

5  系统调试--------------------------------------------------------- 21

6  总结与展望------------------------------------------------------- 23

6.1  总结------------------------------------------------------- 23

6.2  展望------------------------------------------------------- 23

参考文献------------------------------------------------------------ 25

致谢---------------------------------------------------------------- 27

附录---------------------------------------------------------------- 28

摘  要

儿童乘车安全是汽车安全领域的重要课题之一，目前研究工作主要集中在儿童约束系统的优化设计及其安全性评价等方面，对于车辆驻停后滞留车内儿童的安全问题缺乏深入研究。针对该问题，本文设计的儿童车内滞留监测控制系统，通过监测驻停车辆内的实时温度及儿童滞留状态综合判定是否启动防护报警功能。

针对儿童滞留安全而设计了一种以STM32为控制芯片车窗控制系统，其集合了HC-SR501人体检测传感器、SGP30二氧化碳浓度传感器、DS18B20温度传感器等多种传感技术，对车内的二氧化碳浓度和空气中温度等进行了实时监控；以OLED作为小屏幕显示，主要显示汽车中的温度和车内二氧化碳浓度，根据汽车中的温度、车内二氧化碳浓度单片机作出相应的动作完成对车窗的智能控制。人体红外线传感器模块是用来监视汽车内部是否存在有人停留，避免人身发生安全事故。本系统具有耗能小、反应及时、系统稳定等特点。

检测装置包括人体感应传感器、温度感应计和气体检测计。本文符合对儿童滞留检测的需求，各数据测量准确，能够精准的控制车窗，改善驾驶员的驾驶体验。通过对理论分析、软件流程的编写及硬件集成电路的设计，实物模拟系统等，证明了该系统的可行性。

关键词：儿童滞留  人体感应  STM32单片机 

ABSTRACT

Children's riding safety is one of the important topics in the field of automobile safety.At present,the research work mainly focuses on the optimization design and safety evaluation of the child restraint system,but there is no in-depth study on the safety of children stranded in vehicles after parking.To solve this problem,the monitoring and control system of children's detention in vehicles designed in this paper comprehensively judges whether to start the protection alarm function by monitoring the real-time temperature in parked vehicles and the state of children's detention.

A window control system with STM32 as control chip is designed for children's detention safety,which integrates HC-SR501 human body detection sensor,SGP30 carbon dioxide concentration sensor,DS18B20 temperature sensor and other sensing technologies to monitor the carbon dioxide concentration in the car and the air temperature in real time.OLED is used as a small screen display,which mainly displays the temperature and carbon dioxide concentration in the car.According to the temperature and carbon dioxide concentration in the car,the MCU makes corresponding actions to complete the intelligent control of the window.The infrared sensor module of human body is used to monitor whether there is someone staying inside the car to avoid personal safety accidents.

The detection device comprises a human body induction sensor,a temperature induction meter and a gas detection meter.This paper meets the needs of children's detention detection,and the data are accurately measured,which can accurately control the windows and improve the driver's driving experience.The feasibility of the system is proved by theoretical analysis,software flow writing,hardware integrated circuit design and physical simulation system.

Keywords:Children stranded  Human body induction  STM32 MCU 

1  绪论 1.1  研究背景

随着我国现代经济社会以及人们生活物质化和生活质量水平的进一步提高，人们对于家用汽车的安全乘驾和驾驶舒适度的提高，已经有了新的标准......

由于汽车所处的环境相对比较严酷和封闭，而且人类在汽车上的生活都离不开适当的氧气和合适温度[1]。目前随着电子科学技术迅速进步与发展，......

1.2  发展现状

汽车环境实时自动监控系统技术研发应用过程发展背景，家用汽车安全当今社会已经真的是基本上家家户户都在开发生产着自己的家用汽车，我国的家用汽车安全市场巨大，......

未来几年我国现代汽车中的移动电子设备将更多地应用和发展，......

1.3  主要任务

基于STM32的儿童车内滞留监测控制系统，主要实现了环境监测、儿童滞留检测和危险报警等功能。本设计以STM32为核心，HC-SR501传感器来检测儿童滞留，通过DS18B20传感器来检测温度，SGP30传感器监测二氧化碳浓度。温度上下限阈值根据人体在车内的适宜范围设置，超过温度上限就会强制电机会反转即车窗落下实现通风降温；实际温度低于温度下限电机正转车窗升起。车内二氧化碳浓度超过900ppm，就会通过蜂鸣器报警；二氧化碳浓度超过1000ppm时蜂鸣器会报警并且电机会反转从而实现车窗落下。当汽车上锁时人体传感器延时三分钟工作，如果锁车三分钟后检测不到儿童滞留人体传感器停止工作；如果锁车三分钟之后检测到儿童滞留，车内温度、二氧化碳浓度在正常范围内汽车警示灯亮起，若车内温度、二氧化碳浓度到达临界值（温度：30℃、二氧化碳浓度：1000ppm）时，汽车报警器报警、舵机控制车窗下降，并通过GSM无线通信模块发送信息给用户手机，以达到儿童安全预警。

2  总体设计方案 2.1  系统需求分析 2.1.1适宜人体的温度需求

根据生理学家研究，车内气温过高时会严重直接影响驾驶机器人的肺和身体内部温度自动调控系统功能。由于车内密封性散热不好而直接地会引起人的体温快速增加、......

2.1.2  CO2

二氧化碳是指在煤炭、石油、天然气等各种化工燃料进行加热或者水的燃烧时以其他能量进行释放，燃烧过程本身就是一个经历了化学反应的过程，燃油和氧气相互结合后会产生......

当一个中年男子坐在一个密闭轿车里面，关闭外循环，五分钟后测量二氧化碳浓度这时二氧化碳的浓度已经比1000ppm高出了不少，当15分钟后再次测量发现二氧化碳浓度已经到达了......

表2-1  二氧化碳浓度含量对人的影响

二氧化碳浓度

人体生理反应

350～450ppm

同一般室外环境

350～1000ppm

空气清新，呼吸顺畅

1000～2000ppm

感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡

2000～5000ppm

感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心

大于5000ppm

可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡

2.1.3  儿童滞留安全

据公开报道，近期我国已发生多起儿童滞留车内引起伤亡的事故。其中，2020年5月30日，海南万宁一名4岁半男童不慎被遗忘在校车上，发现时男童已昏迷，后虽经40多小时抢救，男童却仍不幸离世；同年6月21日，广州花都警方通报2名男童在车内因进入未锁车门的车内活动，......

儿童滞留在汽车内部有很多安全隐患比如车内升温比较快因为儿童身体还没有发育完，所以车内温度高就会让儿童体内水分和盐分快速蒸发导致儿童虚脱；......

2.2  系统方案设计

该控制系统的设计基础是微处理器STM32。采集信息部分主要由人体感应模块(HC-SR501)、车内温度检测模块（DS18B20）、二氧化碳浓度检测模块（SGP30）、......系统总体框图如图2-1所示。

图2-1  系统总体框图

3  系统硬件设计 3.1  STM32单片机

STM32 F1系列为Cortex-M3基础型MCU32位MCU是目前市场上使用率最广的MCU，执行效率高，能耗第低，应用类型也相当多元。其中主机采用了一个增强型控制STM32f103-72MHZCPU。32位的MCU对比8位和16位的MCU具有更多的内存，......STM32最小核心板如下图3-1所示。

图3-1  STM32最小核心板

STM32内核为ARM Cortex-M3，执行代码速率和系统反应速率至少是51单片机的4倍，要更加适合车内安全性的要求。而且STM32内部有四个16位的定时器，......STM32引脚如图3-2所示。

图3-2  STM32引脚图

STM32引脚参数说明如表3-1所示。

表3-1  STM32引脚参数

编号

引脚

功能

1

VBAT

当关闭VDD时，（通过内部电源切换器）为RTC，外部32kHZ振荡器和寄存器供电。也就是说相当于后备电源

2

PC13-TAMPER-RTC

防篡改

3

PC14_OSC32-IN

32.768K晶振

4

PC15_OSC32-OUT

5

PD0_OSC-IN

4-16M晶振

6

PD1_OSC-OUT

7

NRST

复位管脚（RES）

8

VSSA

Vssa，Vdda=2.0~3.6：为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。使用ADC时，Vdda不得小于2.4V。Vdda和Vssa必须分别连接到VDD和VSS

9

VDDA

10

PA0_WAKEUP/CTS2

唤醒MCU/DCE准备好接受来自DTE的数据

11

PA1-RTS2

DTE请求DCE准备传输数据

12

PA2-TX2

发送数据

13

PA3-RX2

接受数据

14

PA4/AD4

通用I/O

15

PA5/AD5

16

PA6/AD6

17

PA7/AD7

18

PB0/AD8

19

PB1/AD9

20

PB2/BOOT1

设置系统启动的方式

21

PB10

通用I/O

22

PB11

23

VSS_1

24

VDD_1

25

PB12

通用I/O

26

PA13SPI_SCK

外置flash接口

27

PA14/SPI_MOSO

28

PA15/SPI_MOSI

29

PA8/SPI_CE

30

PA9/TX1

见10-13

31

PA10/RX1

32

PA11/CTS1

33

PA12/RTS1

34

PA13/SWDIO

下载程序

35

VSS_2

36

VDD_2

37

PA14/SWCLK

下载同步时钟

38

PA15

通用I/O

39

PB3

40

PB4

41

PB5

42

PB6

43

PB7

44

BOOT0

设置系统启动方式

45

PB8

通用I/O

46

PB9

47

VSS_3

48

VDD_3

3.2  OLED显示屏模块

OLED（organiclight-emittingdisplay）主要用途是一种技术泛指由于一定电场的引力驱动下，有机半导体发光材料和有机发光电子元件在一定电场的引力驱动下，通过对带电载体同流子的电力注入和电子复合作用引起反应产生有机发光......

3.2.1  OLED显示屏的特点

OLED为一种自然的发光材料，不必反复使用任何金属背光板，而且其发光角度广阔，显示画面均匀有质感，颜色为可选多色的彩色，最主要......。

OLED对工作环境要求很低，用很小很简便的驱动程序驱动，加以供电电压，其内部的集成电路就可使其正常工作，同时也控制了其能源的损耗，低成本的同时低能耗，因此......OLED实物如图3-3所示。

图3-3  OLED实物图

3.2.2  OLED显示屏的优点

OLED屏幕具有很高的柔韧性，其基层的一种塑料结构材质设计很轻巧，亮度因其内部透明玻璃支撑吸收紫外光而较LCD更为明显清亮，此外......

OLED除了制造简单外，还能够被制成更大规模的尺寸。OLED为一种......

OLED的观看视角极广，它不需要为了看清屏幕显示内容而遮挡部分光线，所以......

3.2.3  OLED显示屏的电路设计

OLED液晶屏通常作为嵌入式设备的显示终端，主要用于显示用户编写的关键信息，将信息直接显示到液晶屏上。可供辅助程序设计开发。与LCD显示屏相比......

该显示屏模块所用的驱动IC为SSD1306，其具有内部升压功能，......OLED显示屏接口电路如图3-4所示。

图3-4  OLED显示屏接口电路

3.3  温度采集模块

选择温度传感器DS18B20作为采集芯片是最佳选择，利用传感器的特性，将温度变化信号转换为电压信号输出，同时内部集成了A/D转换模块，可直接输出数字信号给主控制器，......有助于简化外围电路设计[8]。温度传感器实物如图3-5所示。

图3-5  BS18B20实物图

DS18B20总共包含VCC、DATA和GND三个管脚，采用独特的“一线制”通信方式，信号符合TTL电平，无须任何外围器件，可直接和各种单片机或微处理器的I/0引脚相连，为简化......温度采集模块电路原理图如下3-6所示。

图3-6  温度采集模块电路

3.4  人体红外线感应模块

HC-SR501红外感应模块具有超好的灵敏度和工作稳定性，其自动检测时的低功耗设计无疑使它适用范围加大，比如应用在家电设备以及各种电子设备中。......。

图3-7  实物图

3.4.1  HC-SR501的原理

HC-SR501红外感应模块带有自动感应闭锁时间，每个感应闭锁时间段在每个闭锁传感器上都会带有一个闭锁感应信号输出，其后一个高电平转变成了一个低电信号，......

表3-2  人体感应模块参数

产品型号

HC-SR501人体感应模块

工作电压范围

直流电压4.5-20V

静态电流