1、本栏目责任编辑：梁书工程应用Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第1期(2023年1月）第19卷第1期(2023年1月）基于AT89C51单片机的智能防护书包设计丁小荣，尤超慧，陈美静，段文洋，付裕（安徽三联学院 电子电气工程学院，安徽 合肥 230601)摘要：文章设计一款基于AT89C51单片机的智能防护书包，该书包由供电系统模块、防溺水模块、报警模块、GPS定位模块组成。其中，供电系统模块除了常规蓄电池供电外，还可利用振荡浮子将儿童走路时的动能转换为电能；防溺水模块采用MS5837-30BA高精度压力传感器，可精确感知水压变化，从而触发
2、打开救生气囊；报警模块实现按键报警功能；GPS定位模块获取定位信息；书包整体采用符合人体工程学设计，达到减负减压效果。关键词：AT89C51；智能防护；振荡浮子中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)01-0104-04开放科学（资源服务）标识码(OSID)：1 引言近些年来，国内外儿童溺水事故频发，导致家长对儿童人身安全担忧日渐加剧。由于儿童身心发展不成熟，缺乏成熟的鉴别能力和自我保护能力，因此儿童的户外安全问题一直备受关注。为了提升儿童户外安全保障，设计一款防溺水多功能智能防护书包，该书包在感知到落水后，触发安全气囊及报警、定位等功能模块开启，从而在很大
3、程度上对儿童的户外安全做出保障。2 设计理念及功能结合儿童常见的安全隐患，本文设计的安全智能防护书包具有以下几大功能：1)防溺水功能：儿童发生意外落水时，书包两侧的压力传感器感知水压变化，自动触发充气气囊，气囊迅速膨胀，使落水儿童浮于水面之上。2)GPS定位功能：定位模块能够实时获取儿童的位置信息。3)报警功能：儿童遇到紧急危险状况时，按下报警按钮，警报声响引起周围人群注意。4)人体工程学设计：书包整体采用人体工程学设计理念，保护儿童骨骼、关节和肌肉。同时，选用轻盈柔软防水材质，防止儿童因过度负重而弯腰驼背，达到减负减压的目的。3 智能书包硬件设计3.1 系统总体设计本设计选用AT89C51单
4、片机为控制单元，对供电系统模块、GPS定位模块、防溺水模块、报警模块进行智能控制。系统模块结构框图如图1所示。AT89C51单片机供电系统模块报警模块GPS 定位模块防溺水模块图1 系统结构框图3.2 供电系统模块设计为了确保安全防护智能书包内部电路正常工作，本设计不仅采用蓄电池供电，还加入振荡浮子，可将动能转化为电能。这种双边供电方式为智能书包全阶段正常使用提供了保障。AT89C51单片机主控系统正常工作时所需的电压为5V左右，为保证在不同供电方式下智能书包都能正常工作，为供电系统加入稳压电路模块，稳压电路模块使用贴片铝电解电容和功率较大的电感，控制输出电压在4.5V到5.5V之间1。智能书
5、包内部装有如图2所示的振荡浮子，其工作原理为：在儿童走路颠簸的过程中，振荡浮子对垂直方向上的运动能量进行捕捉，弹簧上端所连接的浮收稿日期：2022-08-15基金项目：安徽省大学生创新项目：中小学生急救双肩书包（项目编号：S202110959065)作者简介：丁小荣(2001)，女，江苏淮安人，本科在读，研究方向为电子信息；尤超慧(2001)，女，安徽淮北人，本科在读，研究方向为电气工程及其自动化；陈美静(2002)，女，安徽马鞍山人，本科在读；研究方向为电子信息；段文洋(1996)，男，安徽阜阳人，本科在读，研究方向为电子信息；付裕(1992)，女，安徽合肥人，通信作者，助教，硕士，研究方向
6、为信息处理。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.19,No.1,January2023104DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0008工程应用本栏目责任编辑：梁书Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第1期(2023年1月）第19卷第1期(2023年1月）子自振荡频率和上下颠簸的频率越接近，其捕捉到的能量就越大。当浮子的自振荡频率等于上下颠簸的频率时，就会发生共振现象
7、，能够将更多的动能转化为浮子的机械能。图2 振荡浮子计算浮子吸收的能量：以浮子作为研究对象，浮子将儿童走路的能量转化为浮子自身动能和势能。浮子获取的动能为：EFK=12(m+m)v2(1)式中：m为浮子质量；m为附加质量；v为浮子垂向运动速度。浮子获取的势能为：EFP=12gAWPx2(2)式中：AWP为浮子底面面积；x 为浮子垂向运动位移。浮子获取的总能量为：EF=12(m+m)v2+12gAWPx2(3)从式(3)可以看出，浮子质量和底面积一定时，浮子吸收的能量与浮子垂向响应速度及垂向位移的平方成正相关。浮子垂向响应越好，浮子获取的能量就越多2。浮子利用获取的机械能带动发电机工作，产生电流
8、，经过稳压电路即可为整个智能书包供电。3.3 报警模块设计报警模块电路图如图 3 所示。报警模块以AT89C51单片机作为核心控制单元，附加复位电路、晶振电路构成。其中，复位电路能够将系统恢复到初始状态，晶振电路为系统提供时钟信号3。按下电路图中SW1按键触发报警电路，蜂鸣器正常工作时需要30mA的电流，如只采用主控AT89C51芯片驱动蜂鸣器，则无法保证其他模块正常工作。于是，利用三极管Q1对电流放大，驱动蜂鸣器发出警报声，同时利用编程实现蜂鸣器响声持续10s,监测复位键是否按下，若按下，则警报声停止；若复位键没有被按下，则蜂鸣器持续发声10s后循环监测，直至复位键被按下。3.4 防溺水模块
9、设计市面上现有的救生气囊利用二氧化碳高压气罐为气囊提供浮力，在发生溺水时需拉动手柄使气体充入才能使溺水者上浮，但儿童溺水时往往惊慌失措难以主动触发气囊弹出，不能实现自救。针对以上问题，本文参考汽车安全气囊的设计原理，设计出一款感知水压自动触发的气囊装置。模块设计如图4所示4。图4 溺水模块设计书包底部和两侧装有水压传感器，当儿童落水时，传感器感知水压变化引起其内部电路参数变化，从而触发点火开关，气囊内部装置产生大量气体，气囊迅速膨胀，巨大浮力使儿童浮在水面。儿童还可以按下报警装置按钮，发出警鸣声，引起周围人的注意，获得及时救援。同时，本文选用MS5837-30BA高精度水压传感器，MS5837
10、-30BA传感器是新一代的高分辨率12C接口压力传感器，水深测量分辨率高达2mm,该压力传感器模块包括高线性度的压力传感元件和低功耗的24位ADC转换器，能够精准地将水压变化信息发送到单片机5。压力传感器的工作电压为1.5V到3.6V，工作电流和静态电流较低。MS5837-30BA传感器与主控AT89C51单片机的引脚接口如表1所示。表1 MS5837-30BA与单片机引脚接口AT89C51单片机3.3VP2.0P2.1MS5837-30BA传感器VDDSCLSDAMS5837-30BA传感器的工作原理基于硅晶体的压阻效应，硅材料在受到外界压力或拉力的作用时，晶体的晶格产生形变，载流子从一个能
11、谷向另一个能谷散射，载流子的图3 报警模块电路图105本栏目责任编辑：梁书工程应用Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第1期(2023年1月）第19卷第1期(2023年1月）迁移率发生变化，扰动载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化，相应的电阻值随之改变。传感器的基本结构主要包括压敏薄膜、压敏电阻、背腔和金属互联结构等。采用周边固支膜片结构的扩散型电阻芯片，将4个压敏电阻根据设计结果分布在压敏薄膜上的不同位置处并相互连接成环，形成惠斯通电桥，如图5所示。对于图中的两对压敏电阻R1和R3，R2和R4，其中一对电阻增大，则另一对电阻减
12、小，且R1与R3的电阻变化量相同，R2与R4的电阻变化量相同。当输入电压为Vdd时，此时惠斯通电桥的输出电压Vout可表示为：Vout=(R1+R1)(R4+R4)-(R2+R2)(R3+R3)(R1+R1+R2+R2)(R3+R3+R4+R4)Vdd(4)图5 惠斯通电桥外界压力作用时，在单晶硅晶轴坐标系中，电阻率变化受纵向l、横向t和垂直方向s三个方向的综合影响，其中垂直方向上的影响相对于纵向和横向来说极小，可以忽略不计。材料电阻、压敏电阻阻值变化量与压阻系数及所受应力之间的关系为：=RR=ll+tt(5)式中：l和l分别表示沿着压敏电阻条长度方向上的纵向压阻系数和纵向应力，t和t分别表示
13、沿着压敏电阻条宽度方向上的横向压阻系数和横向应力。在实际情况下通常采用积分求平均法计算压敏电阻长度上的电阻量，这种方法更为精确，以R1电阻变化为例，其电阻变化量R1可以表示为：R1=1l112(l-t)dl(6)式中l1是压敏电阻条R1的路径。因为R1=R3,R2=R4，在采用恒压源对惠斯通电桥供电时，最终传感器的输出灵敏度可以表示为:Vout=44|0L1(l-t)dl-0L2(l-t)dl4L+44|0L1(L-T)dl-0L2(l-t)dlVdd(7)式中L是压敏电阻条的长度6。通过MS5837-30BA传感器能够精确地感知水压的变化，在儿童落水时能够及时地触发打开救生气囊，起到防溺水的
14、作用。3.5 GPS定位模块设计GPS定位模块就是利用接收天线获取卫星信号，将信号进行变频、放大、滤波、相关、混频等处理后，获得卫星信号的传播时间，根据多个卫星之间的距离测算出儿童的经纬度位置，最后经过定位模块的经纬度解析就能获得儿童具体位置7。本系统定位模块中采用ONE-6M定位模块组，该定位组模块可通过串口与主控AT89C51单片机连接，还可通过串口进行参数设置，使用方便8。4 软件设计软件部分主要包括单片机系统初始化、警报器报警、GPS定位、水压监测装置等模块。系统程序设计流程图如图6所示。智能防护书包系统主要采用C语言编程。1)报警系统程序设计流程：首先，进行系统初始化，接着，监测报警
15、按键是否被按下，如果按下，则报警器工作，持续10S之后，监测按键是否复位，如果复位则报警结束；如果没有复位，则报警器一直工作，直到复位信号产生。2)定位系统程序设计流程：首先，进行系统初始化，接着，判断是否接收到GPS位置信息，未接收到则返回系统初始化，接收到则进行GPS位置信息的提取，提取完位置信息后，继续判断提取的位置信息是否有效，若无效，则返回上一步继续提取位置信息，直到提取到有效信息；位置有效，则发出位置信息。3)防溺水模块流程设计：MS5837-30BA水压传感器一直处于水压监测状态，落水时，水压会发生变化，随着水压的增大，传感器的电阻值增大，引起智能书包电路系统中电流参数变小，变化
16、的电流参数会触发安全气囊打开。图6 程序设计流程图106工程应用本栏目责任编辑：梁书Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第1期(2023年1月）第19卷第1期(2023年1月）5 书包材料结构设计书包外形设计符合人体工程学，背垫采用柔软透气的高发泡记忆棉材质，这种材质具有良好的缓震能力。书包肩带采用莱卡面料和TPU材质，莱卡面料延伸性强，在拉伸到原长的7倍，也能很好地回复原状，并且回复原状后可以紧贴人体表面，对人体的束缚很小。TPU材质具有卓越的高张力,耐老化的特性。如图7所示，肩带设计成多个气囊的形状，多个气囊能够起到分压的作用，减少儿童肩部压力。图7 气囊分压设计书包的整体材质采用PVC牛津布，这种布料表面光滑、防水耐高温，能够很好地保护书包内部的电路结构。书包外观图案设计和当下流行的联名款合作，更容易得到儿童的青睐。书包两侧正面都有大面积的反光条，在光线较暗的交通情况下，更容易引起司机的注意，避免事故的发生。家长可以根据儿童的身高调节书包的胸带、肩带等配件，达到固定儿童背部和书包的效果，使儿童的身姿更加挺拔9。6 结束语本文从智
