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集合GPS/防盗/酒精检测三合一功能 用MCU打造车用黑盒子

汽车窃案频传,如果能知道汽车被偷后的位置,就能更容易找回;此外,为了避免酒后驾车,若直接将酒精感应装置安装在车上,或许也能避免意外事故发生。飞机的黑盒子可记录飞机的声音与相关资料,协助澄清失事原因,本文提出车用「e化黑盒子」系统,是一款整合酒精检测、行车安全信息系统以及GPS的汽车防盗器,让驾驶人可随时掌握汽车状况。 

为了将「黑盒子」概念实现于汽车,以提升驾车安全性,本文提出以微控制器为核心的车用黑盒子系统设计,整合酒精测量、行车安全信息系统以及GPS定位防盗等功能,并结合GSM模块,可实时回报汽车位置或是否遭入侵与破坏。   

在酒精探测方面,主要目的是避免驾驶人酒后驾车,希望在驾驶人尚未启动汽车前判断出酒精浓度是否符合标准,而传感器测量空气中的酒精浓度的高低是用模糊理论的知识规则库来判断。 

在行车安全信息系统方面,则是将传感器装置在汽车的四周。前后传感器用来提醒车主保持安全车距;左右两边的传感器则搭配左右方向灯使用,主要功能是在转弯或变换车道时提醒车主,避免后照镜看不到附近有车辆或障碍物的死角,而发生碰撞。 

在汽车防盗器,除了有基本的门窗防盗与震动感应外,并加入GPS定位防盗。如果汽车遭受破坏或门窗被开启,系统会立即发送简讯给车主,告知目前状况;倘若汽车被偷,系统就可发挥GPS功能,持续将汽车所在坐标透过GSM系统发送简讯给车主,并拨打电话告知车主或通知警局。 

本系统采用单芯片微控制器,包括C语言软件程序与电子电路硬件两大部分。图1为系统架构图,主要利用单芯片微控制器为中央处理模块,配合传感器部分有酒精感应、超音波感应、震动与磁簧开关感应;讯息显示部分有液晶显示与语音模块,再搭配GPS与GSM模块,以下说明各部分动作原理。 

采用较多内存与接脚之MCU主控微控制器采用由盛群半导体(Holtek) 

HT46R24,此款微控制器具备较大内存,程序设计者在设计较大及较复杂数据处理时有更大的弹性空间。配备40支I/O接脚可供设计者应用于多输入及输出控制装置,如外部按键输入控制、直接驱动液晶显示,或控制外部开关组件如双向硅控整流体(Triac)与继电器等。 

此款微控制器具备脉波宽度调变(PWM)、模拟数字转换(ADC)、I2C序列接口,此外,程序分频器(PFD)可产生精确频率输出,应用于音讯产生,可直接驱动蜂鸣器等发声组件;低电压重置(LVR)则用于侦测系统电压,若系统电压低于LVR值时系统将产生重置,以避免系统工作电压低于操作电压可能造成的不稳定状态。 

本系统包含射频遥控器,利用无线通讯模块来完成解锁、启动防盗与解除防盗,最大优点是体积小、稳定与成本低。而在无线通讯发射与接收电路方面,使用TWS-433(图2)与RWS-433(图3),并透过编译码芯片(HT-12E与HT-12D)与指拨开关的配合,比对传送端设定的编码是否与接收端相同。 

本系统的遥控用编/译码芯片采用HT-12系列编码器与译码器(图4、表1~2),具有4,096种编码,传送媒介可为红外线或无线电。在12位信息中,高8位作为地址信号,低4位为数据信号,地址信号是用来比对数据传送是否正确。HT-12D能够接收12位信息,本身也有8位地址信号线与4位数据线,当接收到的地址信号线与设定值相同时,才会将低4位数据输出。因地址线只有8位,因此HT-12系列作为遥控器时只能编出256组密码。 

本系统具有门窗防盗功能,作为第一道防盗判断,搭配震动传感器,当歹徒使用遥控器打开车门并关闭防盗功能,立即发出警报声驱走歹徒。当汽车遭受到外力撞击破坏或车门被开启,立即启动防盗功能,主控微控制器会将目前状况透过GSM系统传送简讯给车主。藉由在门窗加装磁簧开关,当防盗开启时,门未在安全解锁下打开,磁簧开关由常闭变常开,控制系统将会简讯传送至使用者告知,并且车内有一蜂鸣器会响数声。 

当震动或位移时,震动传感器则会发出一连串正向脉冲信号,经由D1送达Q1,B极此时得到极大的顺向偏压后CE间短路导通,大量正电压通过Q1向C2充电,LM358系一比较器第2接脚已经被固定约为0.6伏特,C2电压充满时LM358第3接脚约到达6伏特,所以输出第1接脚已呈H电位,IC555是振荡器当IC555第4接脚由L转H时即刻被启动,IC555第3接脚一连串脉冲输出,再由晶体管放大推动蜂鸣器,产生一连串警报声响。 

车体四周装设超音波感应电路 

本系统在汽车前后装设的超音波感应电路,主要目的是防止车距过于接近,如果感应到物体,则提示「请保持安全车距」字样。在汽车左右的超音波感应电路的主要功能则是当汽车左转或右转时,感应汽车死角是否有障碍物,并以语音提示,以确保行车安全。 

超音波发射电路是用555振荡器产生不稳态多谐振荡,发出40kHz脉波,由SQ-4T超音波发射器将信号传送出去。接收电路放大器是采用非反相放大电路,SVR 50K可调整其灵敏度。LM567是音讯译码锁相回路,SVR 200可调整其接收频率。LM567的第8接脚接收到40kHz的脉波是「Low」,没接收到是「Hi」。 

本系统并使用8分钟分段录音芯片模块(图5),将所要播放的警告及提醒语音预录在芯片中,每一段分别存入不同语音,再由程序判断在适当时机播放警告声或语音片段。 

单芯片采集NMEA封包 

GPS数据封包的读取采用8051单芯片,此芯片内建UART异步序列接口,使用11.0592石英振荡器,并将鲍率设定在4,800bit/s。为将缓冲区数据读出,须在主程序循环里测试RI是否等于1,如果等于1则把SBUF的数据读出,最后再把RI重设为0,回到主程序循环即可。当GPS启动后开始抓取坐标,并将采集到的坐标储存(原坐标),随即开始判断坐标变化,如果侦测到的坐标差超设定距离100公尺时,此时就会利用手机将最近一次坐标(新坐标)传送到使用者的手机(图6),并且每隔一段时间发送最新坐标给使用者,以便掌握汽车位置。 

当震动传感器因震动而触发信号,或磁簧开关被开启,则手机自动传简讯或拨号给车主,让车主在最短时间内得知汽车遭受破坏,并将汽车位置坐标传送给车主。手机部分使用回收的诺基亚3210,将其按键接脚测量出来,然后接至电路板(图7),利用芯片接收到传感器信号,传送高电位信号到手机拨号芯片,利用磁簧继电器来使手机拨号。GPS部分则使用手机传送位置坐标,让车主在短时间内得知汽车位置(图8)。 

结合GPS与GSM传送车辆坐标 

本系统并装设GPS,用以得知汽车位置,当汽车遭窃时能在最短时间通知车主相关位置坐标。本文采用的GPS接收模块是瑞联科技(Formax)FXE2S V1.0,此模块支持标准NMEA-0183(2.20版)协议,序列传输速率9,600bit/s,并提供GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG等封包格式,可获得经纬度、高度、速度、标准时间等信息。 

GPS数据格式形态依循美国国家海洋电子协会(NMEA)制定的格式标准,NMEA的格式有0180、0182及0183,本文采用的规格为MNEA-0183,一般NMEA封包以「$」起始,接着是各种封包的讯息(GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG),以及各封包种类所对应的封包内容及侦错字节,最后再以CR、LF信号结束,每个字段都以逗号分隔。 

智能型酒精传感器防止酒驾 

为了防止酒后驾车,本系统包含智能型酒精传感器,当车主启动中控锁时,立即启动酒精传感器,如侦测到驾驶人身上有酒精气味反应,则启用语音模块发出警告,请求停止驾驶车辆,并对汽车断电。本系统采用TGS-822气体传感器作为酒精传感器,主架构是二氧化锡(SnO2)和加热器。这种传感器为使所有待测气体挥发而设有加热器,所以正常使用时传感器有温热情形。二氧化锡是气体温度传感器的主要组件,当待测气体接触到二氧化锡的时候,其发挥燃烧作用,将造成二氧化锡本身电阻值改变,并且电阻值会随着气体浓度的增加而下降,图9是酒精传感器的偏压电路,表3是酒精浓度与电压的对照表。 

在酒精感应方面,本系统使用模糊(Fuzzy)控制,本质上模糊控制是智能型控制系统的一种典型,是一种具有仿人智能的工程控制与信息处理系统,基本特点是不依赖受控对象的数学模型,主要是利用人类的操作经验、知识和推理技术,以及控制系统的某些讯息和性能得出对应的控制动作。模糊控制系统与专家控制系统(Expert Control System)很相似,都是以推论机为核心,并把熟练操作员的知识和经验,建构成以「若...则…」规则表示的知识库,然后根据受控对象的现状推论出对应操控策略。图10是本系统酒精浓度的归属函数。 

本系统的电源供应电路是将汽车电池12伏特直流电经由稳压芯片转换为5伏特以供应电路所需电源。本系统的行车信息等讯息,除了语音告知外,均以液晶面板显示,如图11是GPS时间与坐标的显示。 

本系统主要目的在于希望侦测驾驶人是否饮酒、提醒驾驶人行车状况,以及在车辆失窃之后协寻。经过多次实际测试与修正,所有功能动作皆能正常使用,达成预期规画的成效。至于未来开发方向,在传感器方面应投入更多研究,以使传感器更精准并且人性化;在GPS方面可纪录多个拖吊管理场坐标,以便驾驶人知道汽车是被拖吊而非遭窃;在行车安全方面希望能感应出实际距离,并以语音提醒与障碍物之间的距离,以便在无人协助下能了解汽车附近状况;在整体架构上,则必须研究如何将本系统装置于车内,发挥应有功效。 

 

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