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。DH

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