基于单片机的车载儿童防窒息预警系统设计

基于单片机的车载儿童防窒息预警系统设计

摘要

随着我国经济的发展，汽车逐渐成为人们出行的主要工具，随之而来的儿童乘车安全问题日益突出。近年来，儿童车内窒息事件频频发生，已在一定程度上危及儿童安全，为了避免此类事件的发生，设计一款基于单片机的车载儿童防窒息预警系统势在必行。

系统由控制模块、检测模块、液晶显示模块、执行模块和报警模块组成，检测模块将各传感器检测到的数据输送至控制模块，控制模块对各项参数进行运算处理，并将处理结果输送至执行模块和报警模块，使之做出响应，液晶显示模块显示车内的温湿度和 CO2 浓度等信息。车钥匙检测和人体检测相结合检测到儿童滞留时，或温湿度传感器检测到温度值超出预先设定的上限时，系统实现声光报警和远程报警；二氧化碳传感器检测到二氧化碳浓度超出上限时，车窗开启，并完成报警。

实验结果表明：系统温度检测范围为 0 ℃ ~50 ℃ ， CO2 浓度检测范围为 0ppm~ 10000ppm，且能够在检测到儿童滞留或车内环境不适宜乘坐时，可在三秒内做出响应，从而达成防止儿童车内窒息事件发生的目的。

关键词：二氧化碳传感器;GSM 短信;报警

1 绪论 1

1.1 设计背景及意义 1

1.1.1 设计背景 1

1.1.2 设计意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外现状 1

1.2.2 国内现状 2

1.3 设计内容 2

2 方案选择与论证 3

2.1 设计要求 3

2.2 整体方案设计 3

2.3 控制模块选择 4

2.4 检测模块选择 4

2.4.1 人体检测 4

2.4.2 二氧化碳检测 4

2.4.3 温湿度检测 5

2.5 液晶显示模块选择 5

2.6 无线传输模块选择 5

3 硬件设计 6

3.1 控制电路 6

3.2 检测电路 6

3.2.1 人体检测电路 6

3.2.2 温湿度检测电路 7

3.2.3 二氧化碳检测电路 7

3.2.4 车钥匙检测电路 8

3.3 执行电路 8

3.4 无线传输电路 8

3.5 声光报警电路 9

3.6 液晶显示电路 9

3.6.1 OLED 显示电路 9

3.6.2 OLED 按键设置电路 10

3.7 电源电路 10

4 系统软件设计及实现 11

4.1 程序编写 11

4.2 主程序设计 12

4.3 CO2 检测子程序设计 13

4.4 温湿度检测子程序设计 14

4.5 液晶显示子程序设计 14

4.6 无线传输子程序设计 15

4.7 按键设置子程序设计 16

4.8 蜂鸣器报警子程序设计 16

5 系统测试及抗干扰设计 17

5.1 系统测试 17

5.2 抗干扰设计 17

5.2.1 硬件抗干扰设计 17

5.2.2 软件抗干扰设计 18

6 总结与展望 19

6.1 总结 19

6.2 展望 19

参考文献 20

附录一硬件电路 22

附录二源程序 23

致谢 24

1 绪论

1. 1 设计背景及意义

1. 1. 1 设计背景

近年来，随着我国经济的发展，人们生活质量的不断提升，几乎每家每户都靠私家车出行，乘车安全这一概念也逐步进入到人们的视野，在这种大环境下，多种乘车保护装置井喷式出现，儿童安全座椅便是其中一种，该保护装置可在多种情况下，尤其是遭遇汽车急停或碰撞等事故时保护儿童，避免儿童遇到危险[ 1] 。当前市面上大部分乘车安全装置着力于保护儿童在车辆驾驶过程中的安全，忽视了车辆停靠时的安全问题。

随着社会关注度的逐渐上升和社会需求的不断增加，车载儿童防窒息预警系统的研究逐渐起步，相继有防止儿童滞留装置和车内防窒息装置出现。车内防窒息是保护儿童乘车安全中重要的一环，是保障儿童在车辆停靠时的人身安全的重要装置，因此，不断探索和研究车载儿童防窒息预警系统很有必要。

1. 1.2 设计意义

我国汽车市场仍在不断扩张，乘车安全装置的市场需求随之增加，在此背景下，车载儿童防窒息预警系统的发展迫在眉睫，该系统可在一定程度上减少儿童车内窒息事件的发生。

(1) 安全性高

系统应用多个传感器，检测方式全面，控制模块选用运行速度较快的单片机系

统，可迅速处理信号并控制执行模块和报警模块做出反应，多方面提升系统性能，进而提升儿童乘车安全性。

(2) 响应速度快

采用 STM32C8T6 型号单片机作为控制模块核心器件，该型号单片机运行速度较

快，可迅速向执行模块和报警模块输出相应指令。

(3) 精确度高

选用检测精度高的二氧化碳传感器和温湿度传感器，可提高检测数据的精确度，进而提高系统整体的精确度。

1.2 国内外研究现状

1.2. 1 国外现状

国外对车载儿童防窒息预警系统的研究开始时间较早，但由于人们对儿童乘车安全的不重视，目前国际市场并无许多装置问世，可以真正应用的少之又少。

除儿童安全座椅这类保护儿童在车辆行驶过程中的安全装置以外，国外对于儿童车内防窒息预警装置的关注及研究始于近几年。凯迪拉克和雪佛兰等品牌的汽车于 2018 年设置了“后座提醒”功能，该功能运用了超声波传感器，可防止儿童滞留在车内，并在一定程度上降低了儿童车内窒息事件发生的概率[2] ，次年法雷奥发布了幼童滞留车内监测系统的新技术，该技术同上述的“后座提醒”功能均着重于对儿童滞留的检测，忽略了对儿童窒息的检测和报警，无法全方位保护儿童。

2020 年美国特斯拉发明了车载儿童防窒息系统，该系统着力于对车内环境和儿童滞留进行检测，防止儿童因车内温湿度等环境的变化而引起窒息事故，检测方式全面，可避免发生儿童车内窒息事件。

1.2.2 国内现状

随着技术的发展和社会需求的逐渐增加，国内逐渐意识到车载儿童防窒息预警系统的研究迫在眉睫，近年来，车载儿童防窒息预警系统的研究逐渐开始，但大部分研究成果仍无法满足社会需求。

国内对于车载儿童防窒息预警系统的研究多以专利为主，市场上可应用的装置少之又少。2016 年国内发布了一款汽车防窒息安全控制装置，暂未用于实际生产中； 2020 年长城汽车为预防儿童车内窒息事件的发生，发布了“生命体征监测技术” ，并成为率先将该技术投入量产的汽车企业[3] 。生命体征监测技术应用热释电传感器检测车门上锁后车内是否有人员滞留，并在检测后发出报警信号。除以上的研究，目前国内少有能够实际应用的车内防窒息装置。

1.3 设计内容

(1) 研究儿童乘车保护装置发展现状，分析车载儿童防窒息预警系统发展的重要性。

(2) 完成对控制模块、检测模块和报警模块等核心器件的选型，通过对比典型的器件，选择可满足功能要求、更适宜于本系统的方案。

(3) 根据系统需要实现的功能，分别对各模块电路进行设计。

(4) 根据各模块结构特点，完成对相关引脚配置，并对主程序和各子程序进行设计。

(5) 对系统软硬件进行调试，测试系统性能，并通过抗干扰设计提高系统稳定性。

总结与展望

6. 1 总结

通过前期的资料查询可知：当前国内对于车载儿童防窒息预警系统的研究成果较少，无法满足社会需求，本设计对于改善相关研究匮乏的现状很有帮助，对于儿童乘车安全很有意义，本设计主要工作过程如下：

(1) 根据技术要求，得出整体设计方案和大概流程，先根据系统要求对各模块核心器件进行选型，根据核心器件特点进行软硬件设计，实现系统各模块的控制和连接。

(2) 综合分析后选择各模块的核心器件，论证后选择 STM32C8T6 型号单片机为

控制模块核心，检测模块则分别选择 DYP-ME003 人体感应模块、DHT11 数字温湿度

传感器、JXM-CO2 型红外二氧化碳传感器和 LM393 比较器实现各项功能，执行模块选择 SRD-03VDC-SL-C 型继电器控制车窗，报警模块则选用 SIM800L，并在选用核心器件的基础上进行硬件电路设计和软件程序设计。

(3) 对系统进行测试，验证其是否能够正常运转，并测试其稳定性。

6.2 展望

系统完成了对控制模块、检测模块、执行模块、报警模块和液晶显示模块的设

计，在反复分析过后，发现仍有可以改进之处，主要有以下几点：

(1) 部分器件的选择，如 DHT11 数字温湿度传感器的温度检测范围较窄，若在

冬季温度过低的情况下，系统检测结果可能会产生轻微误差，后续需对其进行升级。

(2) 在进行设计时需考虑地区、车型等因素，本系统需要与车窗连接，进而根据控制模块输出的信号控制其执行相应动作，需要提升系统的通用性，以便于各车型、各种地区和环境的应用。

(3) GSM 远程报警模块使用时需安装 SIM 卡，由于部分类型电话卡信号较差，实际使用时报警功能不稳定，无法按时发送短信，仅在使用移动电话卡时才能正常实现短信的发送，后续需对其进行改善。

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