基于单片机的共享汽车控制系统的设计与实现

滕启龙

吉林通用航空职业技术学院 吉林省吉林市 132101

1 引言

随着互联网经济的不断发展，越来越多的新型概念进人们的视野中，近几年来比较火爆的词语“共享经济”也随之而来，共享经济这个概念包含很广，这其中自然有共享汽车。共享汽车的兴起方便人们的出行，它可以不受时间、地域的影响随时随地供用户使用。同时共享汽车作为公共交通的补充，在一定程度上减少了城市中不断增加的汽车数量，共享汽车的出现方便了人们的出行，但同时共享汽车带来的交通安全隐患同样随之而来[1]。

共享汽车出现安全事故中最常见的就是驾驶共享汽车超速行驶从而导视悲剧的发生。为此本次设计特意针对超速行驶的问题作出整改。同时由于使用共享汽车时的不良操作容易给车辆带来安全隐患，加之管理人员难以及时对车辆进行安全检查，所以共享车辆较之私家车更容易发生汽车温度过高或自燃现象。本次设计也针对次问题给出了解决方案，从而减少悲剧的产生。由于受疫情影响，共享汽车的车内环境安全问题也不可忽视，我们针对此问题给出的解决方案是可以在上任用户使用完后进行紫外线消毒来保障车内卫生安全[2]。共享汽车使用传统的机械式钥匙极不方便也不现实，研究决定通过采用手机蓝牙控制单片机等模块从而控制汽车门锁的开关状态。同时共享汽车也支持电脑端控制，防止用户在使用时突发状况导致无法开关车门等现象。

2 总体设计

基于单片机的共享汽车系统主要有五大功能，分别是超速报警功能、远程控制开关功能、用车计费功能、自动消毒功能、车内环境监控功能。

3 系统硬件设计

3.1 硬件设计思路及方案

在设计系统硬件电路时，为了提高系统电路的普遍性从而将系统分为不同的模块。中心控制模块，采用32 单片机负责系统总体控制和数据处理；步进电机来模拟汽车行驶，控制步进电机不同转速来满足车辆的不同速度；用蓝牙控制汽车车门开关；通过GPRS模块发送短信；使用TFT-LCD 显示屏将车速、用车时间、温度、湿度、经纬度显示出来。将大的电路框架和架构搞清楚，设计好大框架再将具体思路具体实现。由于系统电路的模块化设计从而使得系统便于安装、维护。

3.2 主控模块

此设计采用的主控芯片是STM32F103 模块。该模块是32 位微型控制器，这一系列的微型电路是由STMicroelectronics（ST）公司生产的，工作频率为72 兆赫，其内核是Cortex-M3。具有丰富的扩展输入输出连接点和相关的功能模块，全部都和芯片内部的两个总线相连接。STM32103 单片机具有良好的操作系统和编写环境以及丰富的外设模块，可较好的与本设计所需的各个硬件进行连接并稳定控制。使用32 芯片的最小系统其编程相对简单且使用外设极其灵活集成度较高。芯片包括定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART 和其他外围功能。

3.3 步进电机

步进电机是由脉冲来驱动的，通常使用微型计算机或者数字计算机来控制，其器件拥有开路控制电路，还能够把电脉冲变换成角位移[3]。

步进电机没有过载的话，负载变化不能够对其产生改变，电机在那个地方停下和电机转动的快慢都是由发送脉冲的次数和发送脉冲的频率决定。换句话说给不仅电机加上个脉冲信号的话，那么它就会转动一次。因为步进电机不会在转动的时候一点点的累加误差，所以这个电机就有着不会增加累计误差的优点，使得步进电机在速度等控制领域的应用减低了难度。

在基于单片机的共享汽车的设计与实现设计中，使用步进电机可实现精确定位控制，可应用在位移精确定位系统中；直流电机控制相对简单，但是定位精度不高，可用于对速度要求高，而对位移定位不高的系统。综合上述本系统使用步进电机。

在工业控制系统中，经常遇到的控制就是对步进电机的控制。在发展中，越来越多的人采取数字控制的方式来实现对步进电机的控制。最常用的电机控制方案主要有以下几种：

3.3.1 基于单片机的控制

把步进电机发送脉冲的频率由软件编程来进行分配，并把环形分配器这一功能也有单片机来实现，把步进电机连接到单片机的接口线使其控制各个驱动的线路，采用中断查询调用中断服务程序，将硬件与软件综合在一起使用，是不错的控制方法，也能够使步进电机的控制达到最佳控制。

该方案的优点是：①设由电路统一对多项的进电机进行控制，从而灵活使用接口电路。②通过单片机的控制去掉了许多传统控制方法对步进电机控制精度的影响。并且通过单片机软件编程令步进电机的控制过程完成了精确的控制。③并且基于单片机的外围电路更会极大提高其系统的联系。

3.3.2 基于PLC的控制

PLC 其编程非常简单、应用面广，并且其可靠性较高、在工程中的实用性比较强，与硬件相关的配套较全面。通过PLC 发出脉冲信号到电机，通过软件来调节脉冲信号，就能够替换步进电机所需要的驱动器。

使用PLC 来控制步进电机时，无法在高频的情况下使用、无法在高速的时候对它进行控制、在电机达到一定速度时对其控制的精准度就会变低等缺点。其原因是PLC 扫描一个周期其工作时间在几十毫秒以内，所以其频率最高只能达到几百赫兹左右。

3.3.3 基于电子电路的控制

步进电机通过脉冲信号来进行调节。使用电子元器件来传输脉冲信号并对其进行分配。步进电机通过采用放大功率的电路，来增强驱动脉冲控制信号。步进电机驱动系统的设计较为简单，由两大电路构成，分别是功率放大电路、步进电机控制电路，通过这两大电路可以完成大多数的步进电机控制。

使用电子电路来控制步进电机时，采用开环或闭环都可以对脉冲信号进行控制。在采用开环方式对脉冲控制时，优点为操作简单、运行平稳且硬件价格低，但缺点是不能完成高精度的细分；在采用闭环方式对脉冲控制的情况下，相较于开环控制能够完成比较高的准确度的划分。通过对转子的连续观察测量，对它转动的快慢和转动的位置进行正确的反应发出脉冲链，完成对信号命令积极的响应从而减少步进电机的失步情况。最关键的是采用此方案，使用电子电路来对输出脉冲频率和数量控制的话，其功能就单一且不灵活，如果要增加或减少功能就需重新设计。

基于上述内容，在共享汽车系统中选择使用单片机控制的方法，这也是目前在对步进电机进行控制时最常见的方法。

3.4 数字温湿度模块

在基于单片机的共享汽车的设计与实现设计中，应首先确保采集温度所使用模块的稳定性和可靠性，再考虑数据传输的便捷性，在综合考虑之下本系统采用相对稳定可靠的DHT11 模块。

系统采用DHT11 数字温湿度传感器来实现对车内环境监控，实时测量车内的温度和湿度。DHT11 传感器获得的车内数据信息后发送给单片机进行处理，通过OLED 模块实时显示获得的温湿度，而一旦温度超过预先设定的阈值时，就会立即发送短信到手机进行报警提示。DHT11 是将湿度和温度相结合的一个模块，拥有着专业的对温度进行检测的模块和对湿度测量时采取电阻元件的模块。DHT11 模块使用I/O 口与32 单片机进行通信，每次传输40 位湿度和温度数据，在传输时进行数据检查，以次增强正确的数据传输能力。

3.5 蓝牙模块

HC-05 是一款蓝牙模块，可以连接单片机控制器的其他设备使其无线通信；将这个模块和单片机建立通信连接的话，可以与单片机芯片的端口连接。此款蓝牙模块可以在许多情境下使用。其参数为：工作电压：3.3V（所有其他引脚，VCC 除外），工作电流：30mA，工作范围：最大10 米（33 英尺）。

HC-05 的工作原理是给所需要的设计增加双向（全双工）无线通讯的功能。HC-05

蓝牙模块可用于单个单片机控制器连接其他蓝牙设备，也可以使用在两个微控制器之间具有串行功能的通信。当开启模块后，使用蓝牙设备的项目都会在相应频段发现到此设备，从而连接到此设备。在蓝牙模块建立连接后，所需要传输的数据可以通过 HC-05 进行传输，然后由蓝牙模块连接的单片机控制器读取接收到的数据。

HC-05 蓝牙模块是通信主机和通信从机都集中在一起的模块，指令齐全丰富的蓝牙串口模块。HC-05 是应用最经典广泛的蓝牙2.0 协议模块，支持目前人们手上绝大多数的安卓手机连接进行通讯，其供电电压范围为3.3V～3.6V。

在基于单片机的共享汽车的设计与实现设计中，选择HC-05 型号的蓝牙模块可以为大多数蓝牙设备连接，应用较为普遍。

3.6 短信发送模块

此模块采用串口（UART）通信，使用行业内通用的at 指令实现了模块操作，完成所需要的短信功能。

在基于单片机的共享汽车的设计与实现设计中，在基于短消息方式的硬件模块的选择中，应在保证功能的情况下以简单、方便使用、价格低廉等条件来选择硬件，在综合考虑之下本系统采用性价比更高的 SIM900A模块。此模块可以无限发送短信功能的一款芯片，具有体积小、可靠性高等优点。

3.7 空气传感器

本设计采用MQ-135 空气传感器。此模块可以轻松检测出多种有害会对人产生不良反应的气体，其灵敏度非常高，在测量烟雾或其它有害气体时精度很高，是广泛应用在多方面的的价格便宜的传感器。

MQ-135 传感器内部采集空气信息部件是特殊材料。在使用传感器是，将其凡在所需要测量的场合下，当前场合中如果出现了污染气体时，传感器中的的检测不见就会跟着污染气体的浓度的增加而逐渐产生反应。在根据相应的电路，根据传感器内部变化的电导率，计算出检测出的数据，再把信号输出。

3.8 红外传感器

热释电红外传感器是根据被测物体（比如人或动物）采集所散发出的红外线，经处理后输出电信号的传感器。红外探头传感器根据测量到发热物体所散发出来的特定波段的红外线来进行工作的。被测温度的红外线都汇总在一块区域内。当红外检测到被加测的东西发生变化时，内部的元件就会产生变化，以此来获得信息，再经由相关电路采集

计算后，根据计算结果输出信号[10]。在以前相关科学家研究使用热释电效应来对红外辐射进行研究，由于受到当时科技水平的限制，没有产生具有实际应用价值的成果。直到六十年代，科技水平有了进一步的发展，使得热释电效应的研究也得到了进一步发展。现如今热释电晶体广泛使用在各种自动化控制装置和相关的的红外应用领域。

3.9 显示屏

TFT-LCD 是目前顶级材质的液晶屏其英文全称为：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，晶体管液晶显示器。其优点为显示屏的显示速度很快并且可以完美调节显示色阶；TFT 液晶屏幕上的每一个像素都对应着一个半导体开关，因此在屏幕上使用点脉冲可以实现对全部像素的直接控制，从而屏幕上的每一个像素都可以单独且连续的操控。这样的方式使得屏幕静态的特性与扫描的线数分离开，从而极大的降低了非选通串扰，增强了画面质量，该液晶屏具有有源矩阵，屏幕后面有半导体开关，每一个像素都和半导体开关线连接，主动对屏幕上每个单独的像素操作。这种屏幕的反应时间很快，可视角度较大。在屏幕是上的半导体的特殊排列方式使其具有一定的延时性，在断电后图像不会立刻消失反而增强了画面的连续性。设计中，根据多方面的显示效果，本系统选择TFT-LCD 屏幕作为系统显示器。

4 系统软件设计

在开发软件时，基于模块化设计的概念，同时考虑每个模块功能之间的总体协调。系统软件分化为多个子程序，每个子程序基本上对应于硬件模块。

在设计本程序时，采用程序设计所规定的设计规范自顶向下，将项目功能区分开来，分别进行设计，将其每个功能都区分成一个单独的功能。以任务所要求的功能为单位采用模块化进行程序设计，首先将每一个功能的主要结构和流程表述出来。将每一个功能逐步完成，最后再与主程序之间联系起来，这样就由一系列功能单元组成了此次设计的系统。这种设计方式也会减少程序复杂度，使得再次修改程序时，简单易懂具有较强的可维护性。

本系统功能模块包括多个功能模块，主要包括：超速报警模块、远程控制开关模块、用车计费模块、自动消毒模块、车内环境监控模块。

4.1 步进电机模块程序设计

为解决汽车驾驶人员的行驶超速问题，因此本系统设计了汽车超速报警功能。通过实时监控车辆行驶速度来保证驾驶人员不会超速行驶，并采用数字显示屏直接显示所测速度。

共享汽车系统主要通过32 单片机控制步进电机的转速来模拟汽车行驶。由单片机产生驱动步进电机转动脉冲，当步进电机收到驱动脉冲信号后会以一定的转速向设定的方向转动设定好的角度。由脉冲信号的频率控制着电机的转动速度，所以单片机通过控 制脉冲数量即可控制电机的转速，继而完成调整电机转速。

通过对车速传感器的输出信号进行测量，然后通过算法，即可得出汽车速度。将实时汽车速度传送至单片机，经过单片机与程序设置好的超速速度对比来得出车辆有没有超速。当所测速度超过提前设置好的汽车车速最高值时进行报警，提示驾驶员车辆减速，将行驶危险降低。

4.2 数字温湿度模块程序设计

设计使用数字温湿度模块来监控车内的温度和湿度数值，保障车内环境舒适和安全。DHT11 数字温湿度模块可以非常灵活的检测共享汽车车内的温湿度，基于DHT11 数字温湿度模块来监控车内温湿度的工作过程是：通过把传感器检测到的数据传输给处理器且通过显示屏幕实时显示，使用户可以实时了解到车内温湿度情况。

4.3 蓝牙模块程序设计

虽然现在汽车车门也有遥控钥匙，但是遥控钥匙容易丢失和遗忘，因此使用手机连接蓝牙控制汽车车门锁无疑成了较便捷的方式。

基于蓝牙技术的汽车门锁功能其工作过程是：通过个人使用的手机与配套的汽车蓝牙相连接，使手机蓝牙模块发出控制命令，汽车上的蓝牙模块接收并由单片机处理，继而控制开锁器打开车门门锁，完成打开汽车门的控制。

4.4 短信发送模块程序设计

由各个模块的传感器采集到数据信息，通过单片机处理的相关数据（车辆使用费用、车内环境报警等）达到所设定好的发送短信的条件时，单片机通过串口通信将相关信息与警告内容传给 SIM900A 模块通过短信发送的用户手机，从而实现数据提示和报警的功能。

4.5 空气传感器模块程序设计

通过安装在车辆易高温处的传感器来获取实时的温度数据，由单片机来判断数据是否符合安全标准，得出判断。当不符合标准时，就会主动报警，用户会同时收到报警短信，当用户收到短信后，可以通过手机短信查看报警信息和车辆位置，以便进一步判断。符合标准时，会持续检测不进行报警。

4.6 红外传感器模块程序设计

系统设计的自动消毒功能使用红外光电传感器进行检测，判断车内附近是否有人来感应开关，如果传感器长时间感应不到人的存在（既检测器达到检测测定时间），进而启动紫外线消毒灯，达到消毒灭菌的目的。

5 系统测试

在准备好各个硬件后，开始焊接。首先依照个元件大小按从小到大排列，再依次焊接。对于芯片，首先焊接最外边的引脚用来固定好芯片，然后再按顺序进行焊接。硬件焊机完毕开始各功能模块的测试，分别对TFT-LCD 液晶屏、短信提醒功能、DHT11温湿度传感器、MQ-135 空气传感器、按键等进行了功能调试。经调试项目完成了超速报警功能、远程控制开关功能、用车计费功能、自动消毒功能、车内环境监控功能。