基于STM32的摩托车头盔佩戴提醒装置设计_兰鸿旺.pdf

wwwele169com|3电子电路设计与方案0 引言近年来，电动自行车因其便捷、经济、环保等特点，成为城乡居民的主要出行工具之一。随着电动自行车数量越来越多的同时，因行人或驾驶员随意闯红灯、驾驶员驾驶技术低等复杂因素造成的交通事故也在逐年增长。因此骑乘电动自行车、摩托车佩戴安全头盔的问题引发了社会的关注。随后广西、上海等地也出台相应规定明确骑行电动自行车也要佩戴安全头盔，因此不佩戴头盔不仅是对自己的不负责任，同时也可能触犯到法律。1 装置总体方案设计装置分为两大部分，分别为下位机与上位机。下位机又分为两个部分：装置车载部分与装置头盔部分。装置车载部分分为：电源模块、STM32 主控模块、座椅检测模块、蜂鸣器模块、显示屏模块、红外接收模块、WiFi 模块、拓展传感器接口。装置头盔部分分为：电源模块、STC15 主控模块、头盔佩戴检测模块、红外发射模块。上位机是由Android 设计的手机 APP。系统总体框架如图 1 所示。装置头盔部分使用 STC15F104W 单片机作为主控制器，微动开关采集驾驶员头盔佩戴信息头盔部分主控芯片进行处理将处理结果通过红外发射管发送红外信息给装置车载部分。装置车载部分采用STM32F103RCT6单片机作为主控制器，红外测距传感器 GP2Y0A21YK0F 采集距离信息，红外接收管 HS0038 参集装置头盔部分发送的红外信息，ESP8266模块参集上位机的指令信息，将采集到的信息汇入车载部分主控芯片进行数据处理，通过程序算法得出驾驶员头盔佩戴情况。如果驾驶员未佩戴头盔则通过装置车载部分的蜂鸣器、显示屏提醒驾驶员。实现头盔佩戴提醒功能。扩展接口即预留数据接口可以用于采集记录装置工作状态信息也可以拓展传感器等1。2 硬件设计 2.1 主控模块电路设计装置车载部分选择高性能、低功耗、低成本的 STM32 F103RCT6 单片机作为主控芯片。电路由以下个部分构成：电源电路、滤波电路、晶振电路、复位电路、BOOT 电路。装置车载部分主控模块电路如图 2 所示。装置头盔部分需要体积小、功耗低、高新能的主控。综合考虑使用 STC15F104W 单片机作为主控芯片。这款单片机只有 8 个引脚其中 6 个通用 I/O 口足够设计使用。并且不需外部晶振和外部复位，只需要电源电路、滤波电路就可使用。装置头盔部分主控模块电路如图 3 所示。2.2 核心传感器模块电路设计各类传感器电路主要采用模块化设计，通过+5V、+3.3V电源和 GND 组成直流供电输入给各传感器模块，模块之间采用去耦电容减少干扰。核心传感器模块电路如图 4 所示。DS18B20 是一个数字温度传感器，采用的是单总线时序与主机通信，只需要一根线就可以完成温度数据读取。温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。火焰传感器是利用红外线对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接收管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为基于 STM32 的摩托车头盔佩戴提醒装置设计兰鸿旺，吴超琼，李国怿，覃文捐，刘振贵，覃钟耀，陈守旺（广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院，广西崇左，532200）基金项目：广西民族师范学院自治区级大学生创新创业训练计划项目(项目编号：S202110604082)。摘要：本文研究并提供一款摩托车头盔佩戴检测装置，以纠正电动车、自行车和摩托车驾驶员不佩戴安全头盔的违规行为，帮助其养成佩戴安全头盔的良好习惯。装置使用STM32F103RCT6作为主控，通过红外通讯技术实现安全头盔检测，并将装置状态通过WiFi上传至手机APP显示。具有简单易用且实现成本较低、可靠性强等优势。使用该技术可以提高电动自行车、摩托车驾驶员的头盔佩戴率，提高行车的安全性。关键词：STM32；红外；WiFi；AndroidSTM32主控模块电源模块座椅检测模块WiFi模块红外接收模块手机应用程序红外发射模块蜂鸣器模块STC15主控模块头盔佩戴检测模块车载部分头盔部分软件部分电源模块拓展传感器接口显示屏模块图 1 系统总体框图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.0114|电子制作 2023 年 1 月电子电路设计与方案电压的变化后，通过装置车载部分的 STM32 检测 AD 值就可以判断出火光的强弱做出相应的程序处理。传感器 MP-2 采用多层厚膜制造工艺,当环境空气中有被检测气体存在时传感器电导率发生变化，该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高将其转化为电压的变化后，通过装置车载部分的 STM32 检测 AD 值就可以判断出烟雾的浓度和DS18B20、火焰传感器就可以组成一个简易的警报器。红外测距传感器 GP2Y0A21YK0F 传感器由信号处理电路、红外发射二极管和位置探测器组成，物体的反射率、环境温度和工作时间的变化不受影响。该装置输出与检测距离相对应的电压。通过单片机的 AD 检测和和相应的公式即可算出距离。将传感器放置在座椅前方就可以用于座椅检测，当传感器检测到后装置车载部分主控就可以做出相应的程序处理。2.3 头盔佩戴检测模块电路设计头盔佩戴检测模块由两个微动开关来检测，1 号微动开关位于头盔内衬头顶部，2 号微动开关位于头盔帽带卡扣内侧。当驾驶员佩戴头盔时驾驶员的头部会于头盔内衬贴合 1 号微动开关就会按下，驾驶员将卡扣插销插入时会顶住装在卡扣内侧的微动开关并将其按下。装置头盔部分 STC15主控通过获取这两个微动开关的状态实现头盔佩戴的检测，如果两个微动开关都未按下或只按下一个时则认为驾驶员没有规范佩戴安全头盔。装置头盔部分模块安装位置示意如图 5 所示。2.4 红外发送模块与红外接收模块电路设计当两个微动开关都处于按下状态时，装置头盔部分单片机将头盔已佩戴安全佩戴的信息对应的二进制编码调制为一系列TXRXA0SDIPB14SCLCSPC9PC8PC7LED0PA11PA12JTMS/SWDIOJTDIJTCK/SWCLKPB8BOOT0PB7PB6JTRSTPB5PC12JTDOLED1PC11PC10PB93.3V100nFC15GND3.3VGNDGND3.3V100nFC13PB11PC5PB0PB1BOOT1PB103.3VGND100nFC12PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PC4WK_UP3.3VGND100nFC11PC3PC2KEY0PC0RESETOSC OUT2OSC IN2OSC OUT1OSC IN1KEY13.3VSTM32F103RCT6U1VBAT1PC13-TAMPER-RTC2PC14-OSC32_IN3PC15-OSC32_OUT4PDO-OSC_IN5PD1-OSC_OUT6NRST7PC08PC19PC210PC311VSSA12VDDA13PA0-WKUP14PA115PA216PA317VSS_418VDD_419PA420PA521PA622PA723PC424PC525PB026PB127PB228PB1029PB1130VSS_131VDD_132PB1233PB1334PB1435PB1536PC637PC738PC839PC940PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA1346VSS_247VDD_248PA1449PA1550PC1051PC1152PC1253PD254PB355PB456PB557PB658PB759BOO_T060PB861PB962VSS_363VDD_364GND3.3VRESET10KR28100nFC19RST11234GND100nFC43.3V100nFC223.3V100nFC21PWR11KR193.3VGNDLM1117S-5.0U6IN3OUT2ADJ/GND1TAB4+8.4V100nFC9GND+5VSC1117-3.3VU11GND1VOUT2VIN3VOUT4+8.4V100nFC6OSC IN2OSC OUT21M R27GND20pFC1720pFC168MHzX1OSC IN1OSC OUT112pFC1812pFC20GND32.768kHzX25.8 ZSGTPWR2654123DC21238VGND8VGNDGNDH111228V4IN+8.4V8V4INJ3312J43123.3V3.3VGNDGNDBOOT0BOOT1图 2 装置车载部分主控模块电路图STC15F104WU1MCLKO/INT2#/T0/RST/P3.41Vcc2INT3#/T0CLKO/P3.53Gnd4P3.0/INT4#/T2CLKO5P3.1/T26P3.2/INT07P3.3/INT1/RSTOUT_LOW8+5VGND+5V100nFC1GNDU21kR1+5VKEY112KEY21210kR210kR3+5V+5VLED110kR4+5VLM1117S-5.0U3IN3OUT2ADJ/GND1TAB4+5VGNDVCC100nFC2GND图 3 装置头盔部分主控模块电路图100nFC1100nFC2U1.2765HY110k VR210KR4HY210KR51KR6100nFC3MQ-2U5H5H2A01B06A13B14U1.1481231KR210k VR11KR3YW15.1 R1J1VCC1GND2AO3DO4J2VCC1GND2AO3DO44.7k R7100nFC8DS18B20GND1DQ2VDD3GP2Y0A21YK0FU2NC1NC2ADC3GND4+5V5PB1GNDGNDGND3.3V3.3VGND3.3V+5VGNDPA1光敏传感器火焰传感器烟雾传感器红外测距传感器温度传感器图 4 核心传感器模块电路图wwwele169com|5电子电路设计与方案的脉冲宽度调制（PWM）信号，通过红外发射管发送以RC5 位格式的信号。图 5 装置头盔部分模块安装位置示意图红外测距传感器 GP2Y0A21YK0F 检测到驾驶员以上车后，装置车载部分一体化红外接收头 HS0038 开始接收RC5 格式的红外信号，经装置车载部分单片机解码后并执行对应程序。2.5 蜂鸣器模块与显示屏模块电路设计压电无源蜂鸣器，其内部没有激励源，只有给它一定频率的方波信号，才能让蜂鸣器的振动装置起振，从而实现发声。蜂鸣器所需的驱动电流比较大，直接使用单片机 IO 直接驱动蜂鸣器比较吃力，需要搭配一个放大电路使用。1.44 寸 TFT SPI 彩屏，分辨率 128128，只需 4 个IO 口即可完成驱动，具有丰富多样的接口、编程方便、易于扩展等良好性能。当红外测距传感器 GP2Y0A21YK0F 检测到驾驶员以上车后连续三个检测周期没有接收到装置头盔部分发来的佩戴安全佩戴的信息对应的二进制编码则通过蜂鸣器发出警报，显示屏也会显示相关提醒。2.6 WiFi 模块作用摩托车头盔佩带提醒装置车载部分启动后 ESP8266 WiFi 模 块 进 入 服 务 器 模 式 并 开 启 一 个 名 为“EPS_SmartHelmet”的热点供手机连接，在手机下载并安装应用程序后，使用手机去连接热点，即可通过 WiFi 进行数据通信。手机软件的功能是通过 WiFi 模块与装置车载部分STM32 主控通讯使其开启或关闭头盔佩戴提醒功能；调整头盔传感器的灵敏度，改变发出警报的阈值，如温度过高的警报等；装置车载部分出现异常时可以查看装置发出的故障码。调整的阈值及功能启停的设置会存入装置车载部分的EEPROM 存储芯片内。3 软件设计 3.1 车载部分主体程序设计车载部分有两个模式，工作模式与调试模式。程序启动初始化各个模块后默认进入工作模式，等待红外测距模块检测到驾驶员上车，再判断红外接收管接收到的信号是否为头盔已正确配戴的信号，如果没有收到信号或是接受到错误信号，则发出警报后进行下一次接收。调试模式则负责将装置的数据传输至手机APP。装置车载部分程序流程如图6所示。开始模块初始化N佩戴信号是否是正确佩戴座椅检测是否有人NY模式选择调试模式YN结束关闭