基于單片機技術的智能車載安全氣囊釋放裝置

曹杰帥，王白俠

（1.長安大學 經濟與管理學院，陜西 西安 710018；2.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710018）

隨著汽車普及程度的提高，以及公路網的建設日益健全，愈來愈多的公路橋梁遍布于鄉村盤山路以及陡峭不平的山坡等地段，而近年來由于山體滑坡，橋梁斷裂等因素致使車輛傾斜側翻，或者墜落橋下，山下造成人員傷亡的事故頻發。這主要是由于現有車輛安全氣囊的釋放主要是以車前蓋等主要部位所受到的沖擊力大小作為判斷依據，而汽車在側翻過程中著地沖擊力小，又或者墜落過程中車體傾斜以不規范角度著地，致使車體傳感器感應沖擊力遲緩，不準確，安全氣囊釋放不及時，造成了乘坐人員的傷亡事故。針對現有的安全氣囊臨界感應條件不合理，釋放不及時的弊端，本文提供一種新型的汽車安全氣囊的自動釋放裝置，該裝置能夠實現汽車在傾斜側翻，墜落山下或者橋下時，及時釋放安全氣囊，減少人員傷亡。

一種汽車安全氣囊的自動釋放裝置，其設計思路是根據傾斜角度傳感器，垂直加速度傳感器對車輛所遭遇的意外情況的精確感知與信號輸出，并且通過信號預處理成為高低電平信號通過單片機的I/O引腳以及SPI通信串口傳入單片機微控制器，單片機實現A/D轉換并輸出決策指令，由控制驅動電路中的繼電器直接控制安全氣囊的釋放與否，實現預定保護功能。

傾斜角度傳感器：傾斜角度傳感器在裝置中作為感知車身傾斜角度大小的采樣元件，在本裝置采用的是磁敏電阻式角度傳感器，且分為側向和縱向兩個不同方位的傳感單元。該磁敏電阻式角度傳感器是利用半導體技術制造的新型純電阻性元件，特點是無觸點，當擺動部分偏轉時，通過磁敏電阻的磁通量發生變化，使磁敏電阻的阻值發生數倍以上的變化，從根本上消除了電噪聲，并使精度得以提高。其中側向角度傳感單元與車軸成側向（橫向）安裝，縱向傳感單元與車軸成縱向安裝，各使用一個安裝于底盤車軸處；側向傳感單元實現的是車軸所在底盤平面以長邊為公共邊，與水平面所夾角度的感知測量，縱向傳感單元實現的是車軸所在平面以短邊為公共邊與水平面所夾角度的感知測量。

傾斜角度傳感器信號預處理單元：將傾斜角度傳感器通過電位器W輸入的線性變化模擬電量進行處理放大，并通過微控制器內置I/O引腳輸入成為可供單片機處理的信號量。

加速度傳感器：該加速度傳感器安裝在車身垂直方向，通過該加速度傳感器可以感知車輛在與水平面垂直方向的加速度大小，并且形成電信號，由本身傳感器內置信號處理功能直接進行放大及模數轉化。該加速度傳感器的信號值為數字輸出，輸出端直接連接微控制器的SPI通信串口，微控制器輸入端接收的信號成為車身在垂直方向上加速度大小的可用傳感信號。本實施例中使用的是ADI公司生產的ADXL3451三軸加速度傳感器，該三軸加速度傳感器基于iMEMS技術，具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可變的測量范圍，最高分辨率可達13bit，標準的I2C或者SPI通信接口，32級FIFO存儲，內部擁有多種運動狀態監測以及靈活的中斷方式，尤其適合于感應物體傾斜側翻以及跌倒，下墜等運動形式。

微控制器：通過執行已存儲的核心算法，輸出決策指令是否釋放安全氣囊。算法的判斷依據主要來自三個方面：①車身側向傾斜角度應小于等于預定值（由于向心力因素，該傾斜角度的預定值大小應隨車輛實時速度的變化而變，成函數關系）；②車身的縱向傾斜角度應小于等于預定值；③車身垂直方向加速度應小于等于預定值（當車輛發生墜落時，車身自由落體加速度應等于標準重力加速度g，但考慮到不同緯度地區重力加速度不同，所以預定值初設為0.9g，更為精確值視實際情況而設定）。通過三項傳感信號對車身姿態進行判斷并作出控制指令。算法總體為邏輯“或”，即只要車身側向，縱向，垂直方向加速度三個傳感值有任一達到臨界條件，微控制器就會由初始值低電平變為輸出高電平，從而釋放安全氣囊，否則三者均小于臨界條件則繼續輸出低電平。

本裝置微控制器選用Freescale 9S12DG128單片機，該單片機采用5V供電，具有25MHZ的總線速度，主要用于工業控制領域，特別適合用在汽車電子自動化控制領域。該單片機的特點是豐富的I/O引腳和工業控制專用的通信模塊。能夠充分滿足單片機的輸出指令與下一模塊驅動芯片之間的傳達。

緊急人工啟動單元：指在車輛發生意外情況，而駕駛人員在允許的反應時間內能夠做出及時的避險措施，直接對單片機輸入釋放安全氣囊的指令，為安全氣囊釋放爭取時間，緊急啟動單元直接與單片機相連接。這體現了本裝置保護全面，對意外情況避險措施多樣化的優點。

緊急人工取消單元：指由傳感器感知，微控制器判斷車輛所處情況處于安全氣囊應釋放范圍時，由乘坐人員自行選擇此時無需釋放安全氣囊，在單片機微控制器預留的極短默認時間內做出取消指令，若在默認時間內未接受取消指令，則釋放安全氣囊。而該單元主要作用是當車輛為墜入水中時，若安全氣囊釋放便會為乘員逃生增加難度，通過人工取消安全氣囊釋放為乘員逃生減少障礙。緊急人工取消單元直接與單片機相連接；

安全氣囊控制釋放繼電器：繼電器與單片機的輸出端相連接，通過接收決策指令，也就是高低電平，實現繼電器的閉合，斷開操作，而此，安全氣囊控制釋放繼電器直接連接安全氣囊的開關，從而直接控制安全氣囊的釋放；

電源單元：本裝置電源單元選擇車載蓄電池，供給正常工作情況下所需的電能來源，電源模塊正極與單片機VCC管腳相連，負極與單片機GND管腳相連，采用穩壓管為單片機持續提供5V穩定電壓。

該汽車安全氣囊的自動釋放裝置，具有以下優點：①在車輛發生傾斜側翻時，能夠實時感知并做出判斷，及時釋放安全氣囊，保證人員安全；②在車輛發生從山路或橋梁墜落的時候，能夠實時感知并做出判斷，及時釋放安全氣囊避免人員被壓傷或撞擊；③對車輛意外情況感知全面，設有人工手動裝置，更加全面地保護乘員安全；④微控制器采用單片機，智能化程度高，反應時間短，指令傳輸速度快，能更好的保護人員安全；⑤結構簡單易安裝，易維護，所需原件均為市場普及，造價低廉，裝置實用，有利于大面積推廣使用。