基于单片机的车载新型智能窗系统设计

绳 鹏，王国力，佟孟泽，谭 斌

（合肥工业大学 安徽 合肥 230002）

1 引言

近几年来，德国、俄罗斯等国家相继颁布了车内空气质量标准，美国、日本、韩国等国家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去年对1000辆在进行了为期2个半月的检测，其中竟有高达97%的车存在车内空气污染。这调查的37%的家庭装修存在室内污染高出许多。车窗紧闭时车内狭小的空间会使得异味变重达饱和状态，尤其汽车在冬天开空调后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。通常有人的时候可采用打开汽车窗通风除有害气体；当车内无人时车窗紧闭时，虽然可以采用通风机使汽车空气流通，但是通风机耗能较大需要外加电源，而且不能长时间工作。因此，开窗透气使空气流通，动作简单、节能环保、效果明显，所以开窗通风散热确实是个可行的方法。因此设计一种款基于单片机的车载新型智能窗系统，监测车内外环境，实现智能开窗通风的智能系统。该系统具有自动检测车内有害气体浓度以及车外环境，及时以短信及显示屏和警报提醒形式向车主反馈浓度超标并能够自动打开车窗升起通气的防盗窗的功能。

2 系统总体设计方案

该系统由51单片机，湿度检测模块，PM2.5检测模块，有害气体检测模块，温度检测模块，光线传感器，GSM通信模块，电机驱动模块，液晶显示模块组成。

该系统STC15W408AS单片机进行控制、数据处理，该单片机自带ADC模块和比较器模块而且指令简单，易学易懂，外围电路简单，硬件设计方便，i/o口操作简单，无方向寄存器，资源丰富，价格便宜、容易购买，资料丰富容易查到，程序烧写简单，容易操作等优点。在系统中该单片机驱动并控制湿度检测模块，PM2.5检测模块、有害气体检测模块、温度检测模块、光线传感器模块进行数据采集，再将传感器采集到的数据进行数据处理，根据处理后的数据和相应的逻辑控制液晶显示模块、电机驱动模块、GSM通信模块、警报提醒模块进行工作，提醒车主车内外环境和无人时开窗升起防盗窗通气的操作。为了减少该系统电能损耗，该设计采用软、硬件结合的方式，使电机驱动模块、GSM通信模块在无危险和车工作时处于睡眠状态，当有危险存在和无人时，单片机唤醒该系统的电机驱动模块、GSM通信模块进行工作，达到自动检测车内有害气体浓度以及车外环境，监测此时车窗若处于打开状态，则关闭车窗，并及时以短信及显示屏和警报提醒形式向车主反馈浓度超标并能够自动打开车窗升起通气的防盗窗的功能。该系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

该系统工作原理：在检测车内外环境工作中，微处理器实时进行控制湿度检测模块检测车外环境是否下雨下雪及湿度大小，控制PM2.5检测模块检测车外PM2.5浓度以及灰尘浓度，控制光线传感器模块检测白天和晚上，控制有害气体检测模块检测车内甲醛和苯浓度，控制温度检测模块检测车内外温度，并进行相应的数据处理，根据处理后的数据和相应的逻辑控制液晶显示模块进行显示及警报提醒模块是否工作，提醒车主车内外环境状况是否进行开窗通气，在无人时且车内空气质量差，同时若车外环境适合开窗时（即车内空气质量差、车外无下雨下雪、白天、PM2.5浓度适合）单片机唤醒该系统的电机驱动模块、GSM通信模块进行工作，否则系统监测此时车窗若处于打开状态，则关闭车窗，及时以短信及警报提醒形式向车主反馈浓度超标并能够自动打开车窗升起通气的防盗窗的功能。

图2 主单片机原理图

3 系统硬件设计

基于单片机的车载新型智能窗系统主要由低功耗易操作微处理器51单片机、DHT11湿度检测模块，温度检测模块，ZPH01PM2.5检测模块、MQ-7有害气体检测模块，光线传感器，A6 GSM通信模块，L298HN直流电机驱动模块，NOKIA5100液晶显示模块组成。具体单片机原理图如图2所示。

其中，L298HN是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机，用户可以放心驱动汽车上控制车窗的直流电动机。

4 系统软件设计

基于单片机的车载新型智能窗系统软件设计：采用keil uvision4开发软件对硬件设计进行紧密编程、编译、下载、调试工作，使用stc-isp-15xx-v6.80软件和51单片机程序下载STC烧写器将编写好的程序下载到单片机中。在该系统的设计中，对STC15W408AS单片机进行编程，实时控制湿度检测模块、PM2.5检测模块、有害气体检测模块、温度检测模块、光线传感器模块进行数据采集，再将传感器采集到的数据进行数据处理，根据处理后的数据和相应的逻辑控制液晶显示模块、电机驱动模块、GSM通信模块、警报提醒模块进行工作，提醒车主车内外环境状况是否进行开窗通气，在无人时且车内空气质量差时，车外环境适合开窗时，即车内空气质量差、车外无下雨下雪、白天、PM2.5浓度适合，单片机唤醒该系统的电机驱动模块、GSM通信模块进行工作，及时以短信及警报提醒形式向车主反馈浓度超标并能够自动打开车窗升起通气的防盗窗的功能。单片机程序设计框图如图3所示。

图3 单片机程序设计框图

5 结语

该系统设计通过调试、模拟、实际环境现场测试，测试结果表明：该系统基本达到了设计要求和功能，实现了车内外环境智能监测及车窗智能控制，在一定程度上可以改变车内空气环境质量。更加完善了汽车的智能控制，提高了人们汽车生活方便及车内空气质量。而且采用软硬件结合的方式，成本较低，安装便捷，低能耗。如今汽车市场庞大，车内空气环境急剧需要改变，产品市场需求量大，具有明显的社会效益。