基于STM32的车辆安全状态监测系统设计与实现

绪论1.1论文的背景与意义时代在发展，社会在进步。机动车的拥有数量也在持续上升，机动车在为我们的日常生活带来方便的同时，也随之增加了其所带来的安全隐患。在国外，对车辆安全监测状态系统的研究和开发已经有几十年的历史，建立了较为完善的车辆安全监测技术标准及产业化体系。近年来，我国在汽车安全技术及其相关产品的研究与开发方面也取得了很大的进步。例如由湖南大学、国防科技大学等高校和湖南亮财汽车安全科技有限公司联合研发的“汽车防撞保护系统-AAPS"，不仅具有原创性自主知识产权，而且填补了国内外汽车安全产品的空白。但是当车辆发生碰撞后，不能及时得到处理仍是当今规范安全监测方面的一大难点。据不完全统计，司机因疲劳驾驶、不规范动作驾驶以及饮酒驾驶所造成的道路安全交通事故在所有安全事故中的比重甚至达到了20%，并且在出现死亡的交通事故的原因排名中却位列第一。故对驾驶机动车的驾驶人员的驾驶状态进行实时监督可有效的监督驾驶员的驾驶行为，对于降低交通事故及人员死亡率，保护人身生命安全及财产，创建和谐社会有着十分重要的现实意义。1.2论文的主要工作本设计是基于STM32车辆安全监测状态系统设计的研制。通过STM32单片机进行数据处理，使用颜色传感器识别红绿灯颜色，并由语言模块做出温馨的语音提示，通过超声波传感器检测与前方车辆以及其他障碍物的距离，当距离较近时，同样会给出语音提示，通过压力传感器检测车辆是否发生碰撞，当车辆发生碰撞时，在ESP8266WIFI模块与手机链接的情况下，通过GSM模块及时自动打电话到指定的手机进行报警通知，在紧急状况下可以主动打电话到指定手机求助，并且可以在手机APP查看车辆行驶状况，比如记录车辆碰撞次数等。具体工作如下：(1)通过STM32单片机进行数据处理(2)使用颜色传感器识别红绿灯颜色，并由语言模块做出温馨的语音提示(3)通过超声波传感器检测与前车或者其他障碍物之间的距离(4)通过压力传感器检测车辆是否发生碰撞(5)通过ESP8266WIFI模块与手机链接(6)通过GSM模块及时自动打电话到指定的手机进行报警通知(7)在紧急状况下可以主动打电话到指定手机求助(8)可以在手机APP查看车辆行驶状况，比如记录车辆碰撞次数。2系统设计及单元电路选型2.1系统总体结构设计本设计是基于STM32车辆安全监测状态系统设计的研制。通过STM32单片机进行数据处理，使用颜色传感器识别红绿灯颜色，并由语言模块做出温馨的语音提示，通过超声波传感器检测与前方车辆以及其他障碍物的距离，当距离较近时，同样会给出语音提示，通过压力传感器检测车辆是否发生碰撞，当车辆发生碰撞时，在ESP8266WIFI模块与手机链接的情况下，通过GSM模块及时自动打电话到指定的手机进行报警通知，在紧急状况下可以主动打电话到指定手机求助，并且可以在手机APP查看车辆行驶状况，比如记录车辆碰撞次数。基于STM32车辆安全监测状态系统设计系统设计框图如图1所示：图1基于STM32车辆安全监测状态系统设计系统设计框图2.2系统的主要流程首先将本设计板子上电，然后各传感器会进行初始化，WIFI模块通过SIM卡连接信号，颜色传感器此时可以识别红绿灯颜色，识别出的颜色由语言模块做出温馨的语音提示，超声波传感器可以检测与前方车辆或者其他类型障碍物之间的距离，经过检测后，通过显示屏显示实时数据，当距离较近时，同样会给出语音提示，当压力传感器受到外界压力时，即表明车辆发生碰撞，当车辆发生碰撞时，在ESP8266WIFI模块与手机链接的情况下，通过GSM模块及时自动打电话到指定的手机进行报警通知，在紧急状况下可以主动打电话到指定手机求助，并且可以在手机APP查看车辆行驶状况，比如记录车辆碰撞次数。2.3单元电路选型2.3.1单片机的选型一个好的设计必然具备一个适合本身的好的控制元器件，本设计采用单片机来作为总的数据控制中心，其起到一个计算并控制的作用，要想使整个系统设计较好的实现智能化控制，就不能缺少计算和控制。所以，单片机在本次设计中有着不可替代的作用，本次我选择单片机却没选择含有操作系统的CPU，用单片机作为微型单片计算的数据元件，是因为单片机价格便宜操作较为简单的特点，而且单片机的资源适中，不会造成浪费资源的现象，但是随着经济的发展，单片机的种类也逐渐增多，而且每种单片机的特性和功能大不相同，性能也存在着较大的差异，故选择一个适用于本设计的单片机是非常值得我研究的方面，下面是我对几款常见的单片机性能之间的比较：。方案一：采用STM32F1型单片机，此单片机在现在的设计中被普遍使用，与之前常用的51单片机相比，此单片机有着更为丰富的IO资源端口，而且在51单片机的基础上，又增加了很多比较实用的真实性能。它内部可同时控制多个定时器，处理速度较其他单片机快了很多，是一款名副其实性能比较强大的芯片，并且与本设计的需求相洽和。方案二：采用STM32F4型单片机，此单片机相比于上述的STM32F1单片机性能更加的完备，是一款32位的具有更多IO资源端口的单片机，并且这款单片机还能进行浮点运算，所得数据更加准确，而且还可以对一些较为复杂的图像进行加工处理，它比STM32F1有着更多的定时器和资源串口，但是此设计不用使用功能如此多的单片机，如使用此单片机会造成一定的资源浪费。方案三：采用Arduino型单片机，此单片机在国外的许多设计中很受欢迎，大多原因在于其操作简单，有较多的封闭式储存库，但是它的IO资源端口相对来说少很多，数据处理也较为缓慢，而此设计涉及多模块同时，所以此单片机不适合此次设计。根据上面对多种单片机的特点、性能以及适用程度的总体分析，方案一中的STM32F1单片机的综合性能较为完备，最符合本次设计所需要求，所以选择STM32F1型号的单片机作为此次设计的处理中心。2.3.2超声波传感器的选型本设计需要实时监测环境的温度、湿度数据，因此需要选择合适的传感器来进行检测，根据本设计需求，有以下几种方案的选型。方案一：采用通用型超声波传感器，此传感器使用较为方便快捷，同时还具备较好的选频特性。传感器内部线路断开连接时，传感器输出相对较高的电压，同时阻抗也随之增高，但是不符合易本次设计的很大一个原因是因为此单片机受噪音的影响很大。由于车辆在街道上，处于一个较为声音嘈杂的环境中，所以此超声波传感器不太适用于本设计。方案二：采用宽带型超声波传感器，在多通道中使用时，此超声波传感器使用较为方便，其在工作时拥有两个不同的频率波带供其使用，可以视为两种不同频率的超声波传感器搭配在一起同时使用。但是其购买费用较高，而且对谐振频率有较高的要求，所以也不太适用。方案三：采用密封型超声波传感器，密封型超声波传感器可适应于多种环境下的超声波测距，对自然环境的适应性较强，可运用于汽车后方检测物体的装置及待时计算器等。通过上述三种不同类型传感器性能的分析，再结合本设计需求，我决定采用方案三中的密闭型超声波传感器作为本次设计所需的传感器2.3.3显示屏的选型本设计采用显示屏来增加实用性方面的可视性。结合本次设计的目的以及要求，再通过各种资料查阅市面上大多设计中所采用的显示屏，依据它们的性能，做出选择，下面是我对现在大多设计中经常采用的显示屏的选择：方案一：采用数码显示管，数码管在我们的生活中非常的常见，它被应用在我们日常生活中的各个领域，例如家用轿车的仪表显示盘，老式电子钟表的数字显示盘等等，其应用广泛的很大一部分原因在于其工作原理简单，它常采用9个左右的LED灯组来显示我们设计或者应用设备中所需的数字类型或者字母类型，并且其价格方便比较便宜。但是它只能显示字母或者是数字，不能显示文字，但在本次设计中需要将必要的文字实时显示在显示屏上，故数码显示管式显示屏不符合本册设计的设计要求，故不予以采用。方案二：采用UARTHMI串口式液晶显示屏，此显示屏在开发方面相当的方便快捷，其内部含有一个独立的自定义处理器，它可以独立编程控制显示器的显示内容，并且该液晶显示屏可以手动触屏控制，由于此液晶显示屏功能强大，在现有的显示屏中算是一个处于高端产品的排序行列，其购买费用也相对于其他显示器来说高出很多，如用此显示屏必然会有很大程度上的资源浪费，故不采用此液晶显示屏。方案三：采用复式12864液晶显示屏，此液晶显示屏因有128*64个像素点而被命名为12864液晶显示屏，该液晶显示屏内部含有一个独立较为完善的文字数据库，即可以显示字母、数字还可以显示大多常用文字，由于其功能强大，可以同时显示四行文字和数字的组合信息，而且还可以显示图片、曲线以及彩色文字。其内部构造较为复杂，含有多个转换处理中心，其价格在大部分的液晶显示器中也相对较高，再根据本设计的需要判断，不采用该显示器。方案四：采用OLED显示屏，这款显示屏在目前大多电气设计中都有所应用，这款显示屏通过SPI进行通信连接，其结构简单，体积较小是最大的特点，它随体积小，但可以显示字母、文字以及图片，而且其编程简单，在工作时所占用的IO资源端口也较其他液晶显示屏少很多。非常适合本次设计的需求，是一个不错的选择。依据上面对几种不同显示屏的对比，再根据本设计要同时显示文字、数字以及字母的设计需求，对不同显示屏的价格成本预估，不得浪费产品资源等问题，我选择上述方案四中所介绍的OLED显示屏作为本次设计中所用的显示屏。2.3.4无线模块的选型本设计需要将数据上传到OLED液晶显示器上进行实时显示，因此需要使用一个无线传输模块将数据上传到服务器，现在市场上流行的无线连接传输模块有很多种，故应该选择一个适用于本设计的无线传输模块，具体研究方案如下：方案一：采用WIFI连接模块，WIFI在我们的生活中随处可见，我们平时在日常的上网和查询资料时都要用得到，WIFI模块工作在2.4G的传输，传输速度非常快，除此之外，WIFI模块利用点对点传输，可以通过IP连接功能远程控制相对应连接的服务器，进而实现远程数据传输。但是WIFI传输有很大的距离要求，超出限定的传输范围之后，WIFI将断开连接，数据传输自然也会中止，数据也便不能在显示屏上显示。方案二：采用蓝牙模块，当下我们的手机上都有蓝牙功能，蓝牙模块与WIFI模块一样，同样工作在2.4G频段，同样具有远程传输数据的功能。但是蓝牙模块同样有距离限制，一般超过50米之后，也将自动断开连接，自然也将不能继续进行数据传输。最主要的是蓝牙模块不具备IP功能，而我本次的设计需要通过IP进行连接，所以蓝牙模块不适合本次设计。方案三：采用GSM模块，该模块是一个采用2G的模块，像我们以前使用的只能打电话和发消息的老版本手机一样，都是由该模块提供的，该模块具有本次设计需要的IP连接功能，此功能可以连接服务器，仅使用一张手机卡就可以通过手机卡来进行网络连接。根据上述选型方案，再结合本设计所需要利用SIM卡向手机发出指令的要求，考虑成本，最终选择方案三的GSM模块作为本设计用于从服务器获取数据的模块。2.3.5压力传感器的选型本设计通过压力传感器来感受外界所施加的压力，通过压力来判断车辆是否发生碰撞，并将所受到的压力大小显示在OLED显示屏上。具体有以下几种方案的选择。方案一：采用压电式压力传感器，该压电式传感器是一种目前市场上常见的的自发电式传感器，当载物表面受到压力时，载物表面会产生一种相应的电荷转换到压电片上。物体往往延着一定方向受到一定的压力，此时物体内部会产生一种类似极化的现象，同时在另一面会产生一种与受力所产生电荷符号相反的电荷，若此时撤去外界施加的压力，则会立马回复不带电的平衡状态。方案二：采用应变片压阻型压力传感器，应变片压阻式压力传感器一般是利用单晶硅的压阻效应的原理进行工作。该传感器利用单晶硅的复合回路以及电阻的反向连接形成，向单晶硅的某一方向添加一个等值大小的电阻，使电阻接成桥路，然后将单晶硅片放在传感器内部。若所受外界压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力发生变化，此变化与其成正比，最后由桥式电路输出信号的形式体现压力。方案三：采用电磁型压力型传感器，这个压力传感器是一种特殊的有源型的传感器,其在工作时必须以物体材料内部所产生的的压磁效应，所谓压磁效应就是在外力作用下，以一种应变的形式发生在磁铁材料的内部产生应力，再通过各磁畴之间因受外力作用而界限发生移动，进而使磁畴磁化强度矢量转动，因而铁磁材料的磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁材料磁化强度变化的现象称为压磁效应。除此之外，只要有一定数量的线圈缠绕在磁铁上，再加以外力的作用下,铁磁材料的导磁率发生变化，则会引起线圈的电感和阻抗变化，这就是电磁效应。通过对上述各个方案的仔细对比，再结合本设计对压力传感器的基本要求，最终选择方案二应变片压阻型压力传感器，作为本设计的压力传感器。3硬件系统设计3.1单片机系统接口电路设计依据前面各个模块的选择，我本次设计使用的是STM32F103C8T6单片机作为设计的主控单片机，该单片机系统电路较为简单，仅仅需要一个晶振即可让单片机工作，而晶振起振需要并联上两个完全相同的22PF电容，本设计使用的是开源STM32F103C8T6模块，该模块是一个最小系统，将所有引脚留出供开发者使用，在本设计电路板上给该开源模块留出了接口，单片机模块接口电路如图2所示。图2STM32F103C8T6单片机接口电路设计3.2颜色传感器电路设计本设计采用HW-067颜色传感器识别红绿灯颜色，HW-067颜色传感器使用简单，其有4根信号引脚，2根电源线引脚，VCC和GED引脚，共8根引脚，其中电源引脚的VCC和单片机的VCC引脚相连接，电源的GN引脚D和单片机的GND引脚连接，其余的信号引脚与单片机的普通IO口一一对应，具体的颜色传感器接口电路图如图3所示。图3温度传感器电路设计图3.3显示屏的接口电路设计本设计采用OLED液晶显示屏显示系统的温度、湿度、烟雾浓度信息，OLED屏采用SPI通信方式与单片机通信，以此OLED屏的电路接口设计也是与单片机的SPI接口相连，一共有7个引脚，占用资源少，具体OLED液晶屏的接口电路图如图4所示。图4OLED液晶接口电路设计图3.4超声波传感器电路设计本设计采用密闭型超声波传感器传感器检测与前车以及其他障碍物的距离，当距离较近时，语音播报模块会对超声波传感器反馈的数据进行语音播报。具体的电路设计图如图5所示。图5密闭型超声波传感器电路设计图3.5WIFI模块接口电路设计该设计采用WIFI模块将红绿灯颜色，距离，压力数据上传到OLED显示屏上，以便在手机端上能够实时显示，该WIFI模块采用单片机通信方式，所以在设计时要将单片机的串口与WIFI模块的串口连接在一起，WIFI模块正常工作需要5根线，2根电源线，2根数据线，1根复位线，具体的WIFI模块接口电路设计如图6所示。图6WIFI模块接口电路设计图3.6压力传感器电路设计为设计提供压力检测的压力传感器可以算是本设计的核心元件之一，本设计采用电阻应变式压力传感器，该传感器的工作原理是将外界所产生的的压力转化成一种可供内部检测的电信号，进而通过对电信号的检测，来判断外界是否受到压力。通过外界是否产生压力来判断车辆是否发生碰撞。如图7所示。图7压力传感器工作原理图3.7GSM电路设计本设计采用GSM模块，该芯片可使GSM射频式芯片、基带处理式芯片、数据存储器、功能放大器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM的电路设计如图8所示。图8GSM电路设计4软件系统设计4.1软件框架设计本设计是基于STM32车辆安全监测状态系统设计的研制。通过STM32单片机进行数据处理，使用颜色传感器识别红绿灯颜色，并由语言模块做出温馨的语音提示，通过超声波传感器检测与前方车辆以及其他障碍物的距离，当距离较近时，同样会给出语音提示，通过压力传感器检测车辆是否发生碰撞，当车辆发生碰撞时，在ESP8266WIFI模块与手机链接的情况下，通过GSM模块及时自动打电话到指定的手机进行报警通知，在紧急状况下可以主动打电话到指定手机求助，并且可以在手机APP查看车辆行驶状况，比如记录车辆碰撞次数。4.2程序模块设计4.2.1OLED液晶程序设计本设计采用OLED液晶显示屏显示红路灯颜色、与前方障碍物之间的距离、压力数据，程序运行时，如果液晶屏刷新过于频繁，会占用过多单片机资源，因此给OLED液晶显示屏开启了一个1秒定时器用于刷新，1s结束时，则OLED液晶屏开始刷新，具体的OLED液晶显示屏显示流程图如图9所示。图9OLED显示流程图4.2.2SYN6288语音播报程序设计本设计采用SYN6288型语音播报模块，为颜色传感器监测出的红绿灯颜色、与前方障碍物距离较近时提供温馨语音提示。具体的SYN6288语音播报模块程序设计流程图如图10所示。图10DHT11程序流程图4.2.3WIFI模块上传数据程序设计本设计基于物联网技术，采用WIFI模块连接OneNet服务器，通过WIFI模块将温度，湿度，烟雾浓度数据上传到OneNet服务器实时监控，程序设计时，为了避免数据上传冗余，采用一个20秒定时器定时来定时将数据上传到服务器，以免上传太过频繁导致数据错误，具体的WIFI模块上传数据流程图如图11所示。图11WIFI模块上传数据程序设计图5系统运行与调试5.1系统总体测试通过很长一段时间对PCB原理图，各硬件之间的连接以及程序的的设计，再将各个硬件电路焊接在一起，基于STM32车辆安全监测状态系统设计最终制作完成，为了验证完成之后的功能都是否能正常实现，以及最终的功能是否符合最初的设计要求，我对实物进行进一步的程序调试，基于STM32车辆安全监测状态系统设计整体效果图如果12所示。图12基于STM32车辆安全监测状态系统设计从上面基于STM32车辆安全监测状态系统设计实物图可以看到，整个系统由许多部分焊接而成，其中包括STM32F1单片机、超声波传感器、压力传感器、语音播报模块、颜色传感器、GSM模块、WIFI模块、OLED显示屏以及按键。多个部分组合在一起构成了整个基于STM32车辆安全监测状态系统设计。5.2液晶显示测试系统上电之后，OLED会显示颜色、压力、距离数据，由图可以看到，显示一切正常，具体的OLED显示如图13所示图13OLED液晶屏显示测试5.3HW-067颜色传感器数据本设计通过HW-067颜色传感器采集红绿灯颜色，并显示在OLED液晶显示屏上，测试时用绿、黄、红三种颜色的卡片放在颜色传感器上，颜色传感器就会自动识别颜色。可以在OLED显示屏上看到，颜色从绿色变成黄色再变成红色，如图14、15、16所示。图14HW-067测试图1图15HW-067测试图2图16HW-067测试图35.4手机APP运行测试本设计利用GSM以及WIFI模块，对手机进行连接，连接后在手机上可以查看红绿灯颜色以及记录碰撞次数等。具体的手机APP控制界面图如17所示。图17手机控制app操控界面结论本设计经历了电路设计，PCB设计，打板，焊接，调试等一系列过程，基本实现以下功能：(1)通过STM32单片机进行数据处理(2)使用颜色传感器识别红绿灯颜色，并由语言模块做出温馨的语音提示(3)通过超声波传感器检测与前车或者其他障碍物之间的距离(4)通过压力传感器检测车辆是否发生碰撞(5)通过ESP8266WIFI模块与手机链接(6)通过GSM模块及时自动打电话到指定的手机进行报警通知(7)在紧急状况下可以主动打电话到指定手机求助(8)可以在手机APP查看车辆行驶状况，比如记录车辆碰撞次数。经过本次设计，我又一次温习了之前学过的许多专业知识，当然也学到了许多在之前并不太了解的知识，例如一些传感器的工作原理以及与单片机之间如何进行连接。此次设计，不仅锻炼了我独立思考的能力，还锻炼了我的动手能力。当然在设计PCB图和各个传感器的原理以及流程图时也发现了自身存在的很多不足，尤其是单片机的定时器和各个串口程序的编写还不够熟练，导致整个设计过程和后期的调试过程中都出现了很多本来不应该出现的问题，这使我在整个实物制作过程中浪费了很多时间。总的来说，这次设计让我学习到了很多之前不知道或者不太了解的知识，比如各种传感器原理图方面的知识，STM32单片机的编程知识。最让我感受深刻的是在整个设计过程中遇到问题之后那种仔细研究，发现问题到解决问题的过程，这种乐于研究，刻苦钻研的精神让我真正的体会到了独立自主完成一件事的意义。

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附录附录1系统程序代码#include"stm32f10x.h"#include"config.h"#include"usart.h"#include"delay.h"#include"led.h"#include"oled.h"#include"word.h"#include"key.h"#include"beep.h"#include"string.h"#include"timer.h"#include"DS18B20.h"#include"adc.h"#include"pwm.h"#include"dht11.h"#include"motor.h"#include"usart2.h"#include"timer3.h"#include"timer4.h"#include"wifi.h"#include"onenet_http.h"charr_flag=0;chars_flag=0;chard_flag=0;u16adcx;intlight=0;char*presult;inttemp=0;inthumi=0;intwater=0;intwind=0;intcontrol=0;intOneNet_water=0;intOneNet_wind=0;intOneNet_Flag=0;charbuff[128];voidWIFI_Handle();intmain(void){u8temp[50];SystemInit();TIMERx_Init(TIM2,7200,10000);DHT11_Init();Beep_Init();Function_init();OLED_Init();Adc_Init();Key_Init();uart_init(9600);Usart2_Init(115200);TIM2->CR1|=1<<0;TIM4_Init(300,7200);WiFi_ResetIO_Init();while(1){OLED_Menu_Display();Key_Handler();WIFI_Handle();}}voidWIFI_Handle(){if(r_flag==0){if(WiFi_Init()==0){r_flag=1;TIM1_ENABLE_20S();}}if(Usart2_RxCompleted==1){Usart2_RxCompleted=0;TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);if(strstr(&RXbuff[2],"200OK")){if(strstr(&RXbuff[2],"\"errno\":0")){if(strstr(&RXbuff[2],"datastreams")){presult=strstr(&RXbuff[2],"\"id\":\"water_data\"");