基于STC15W408AD 单片机的车载新型智能窗设计

基于STC15W408AD单片机的车载新型智能窗设计王家豪，绳鹏，吴琦，王钦正

（合肥工业大学，安徽合肥230002）摘要：介绍了一款基于STC15W408AD单片机的，集成光、机、电、通讯为一体的新型车载智能窗的总体设计方案，阐述了该系统的硬件、软件设计步骤。该系统实现了车内环境智能控制，且具有一定的自适应能力。关键词：智能窗；环境智能控制；STC15W408AD单片机；通讯一体中图分类号：TP368.1文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.10.046或者调理电路转换成标准的电信号，模拟量（0～5V，4～20mA），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。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1000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查的37％的家庭装修存在室内污染高出许多。拿到新车之.com.cn. All Rights Reserved.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1.2.1PM2.5传感器ZPH01粉尘传感器，工作电压范围5VDC，工作电流小于等于150mA，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，·46·2018年第10期

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15mA；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。1.2.3MQ7CO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：DC3.0～5.5V，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0～5V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3.3～5VDC；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4ms左右。具体格式在下面，流程如下：一次完整的数据传输为40bit，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8bit湿度整数＋8bit温度整数。电气特性：VDD＝5V，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40bit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18us以后保证了DHT11ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新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80us低电平响应信号，主机发送开始信号结束后延时20～40us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5.0×4.0cm，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15mA；③配电位器调节灵敏度；④工作电压3.3～5V；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。1.2.6LM298电机模块使用引脚：P5.4RST，MCLKOP5.5CAP，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46V，2A以下的电机。1.2.7GSM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），·47·.com.cn. All Rights Reserved.科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation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313～515V。低功耗：处于睡眠状态时仅310mA。支持EGSM900和GSM1800双频。GSM类型：小型移动站。传输功率：EGSM900为2W；GSM1800为1W。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：214kB，418kB，916kB。传真：第3组，第1类，第2类。大小：541533636185mm。标准协议的认证。采用GSMPhase2?2+标准。SIM卡：由连接界面从外部连接。SIM卡支持，3V、118V（118V需要分开检测，并且在GSM11110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），2018年第10期

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PowerDown信号实现复位。可选波特率：300bs～115kbs。自动波特范围：112～115kbs。软件下载：RS232或者SIM卡。时钟：321768kHz。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5V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。.com.cn. All Rights Reserved.图6系统的整体硬件连接图7主程序流程图

P1.4P1.5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NOKIA5100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keiluvision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，在这个短图8中断服务程序流程图

信模块中使用了两条AT指令，即AT+CMGF=?以及·48·2018年第10期

ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新文章编号：2095－6835（2018）10－0049－03中药抗霾口罩的研究么欣禧1，么欣悦2（1.中国人民大学附属中学翠微学校，北京100036；2中国人民大学附属中学第二分校，北京100097）摘要：随着雾霾成为威胁人类健康的问题之一，口罩已经成为人们日常生活中必不可少的抗霾用品。课题研发出一种中药参与的新型口罩产品，其主要特点是，从结构上新加入扰流层，目的是利用空气的扰流作用，增加吸入空气与中药的接触时间；从材料上新加入中药修复层和抗菌、抗病毒层，目的是修复受损的呼吸系统，提升肺功能，抵抗口罩佩戴中的细菌、病毒滋生，防止污染的可能。独特的多层有效防护，可以满足多种不同的需求组合，使该中药参与的口罩制作有广泛的实用价值。关键词：中药口罩；雾霾；抗病毒；扰流层中图分类号：R168文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2018.10.049霾中的二氧化硫、氮氧化物和PM2.5（直径小于2.5μm的可吸入颗粒物）等，这些物质携带空气中的细菌、病毒，随呼吸进入人体，黏附在人体呼吸道和肺泡中，引起急性支气管炎等病症。根据PM2.5相关流行病学研究，当PM2.5浓度每增加103μg/m3时，居民超出正常死亡的风险率会增加2.29%，心脑血管疾病增加的超额死亡风险更高，为3.08%[2].雾霾严重威胁人们的呼吸健康。1.2口罩相关问题研究面对雾霾的伤害，民众外出最常见的防护措施就是佩戴各种口罩，口罩的使用呈逐年递增的趋势。现有口罩以阻隔为手段，防止空气中的可吸入颗粒物等污染物进入人体。面对这样的情况，我们可以选择将中药药液涂在中过滤或低过滤型无气阀口罩上，利用口罩上中药的抗菌、抗病毒作用以及对于自身的修复功能，达到抗霾的效果。1.3中药抗霾口罩原理中医药是中国传统文化的瑰宝，《五十二病方》记载了：用药“窜鼻孔以热”，利用熏鼻的方法治疗疾病。《金匮要略》环境污染问题日益严重，雾霾作为空气主要污染物，已经成为困扰民众的大问题。雾霾危害的防治可以通过污染源和污染物治理来降低，另一方面可以通过研发防护用品如口罩等来实现。现有口罩一般存在两个问题：一是为了达到过滤效果，层数较多，透气性受影响；二是口罩的保健功能开急需解决的问题。将传统的中医药理论与口罩制作相结合，在阻隔的同时发挥中药抗细菌、病毒和提升肺功能的功能，整体提升使用者抵抗雾霾伤害的能力，这是研究者通过论证、思考想到的一种可能的解决途径，因此开展了一系列实践研究。1中药口罩研究开展意义1.1北京空气质量现状随着我国经济的发展，城市空气质量不断恶化，超过2/3的城市空气质量不达标，雾霾现象频发。北京成为污染最为严重的城市之一，2013-01，北京遭遇持续雾霾，只有5d的空气质量达到二级标准，其余26d为雾霾天气[1]。雾发和利用不充分。佩戴怎样的口罩才能做到最佳的防护，是.com.cn. All Rights Reserved.AT+CMGS=?,用KeilC51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。4结束语该系统设计通过调试、模拟实际环境现场测试，达到了要求的功能，对环境各个参数检测敏感，响应实时，解决了车内环境智能控制的问题，十分人性化，而且成本较低，安装便捷，不论是作为的系统，还是辅助系统，都能够在各类汽车上被广泛应用，市场需求大，社会效益好。〔编辑：张雅丽〕·49·