汽車智能破窗裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

張恒 費穎 吳蘇皖 王勇 周玲霞

摘? ?要：近年來客車起火的事故常有發(fā)生，且往往伴隨著人員與財產(chǎn)的巨大損失。文章針對當(dāng)前大中型客車普遍采用的安全錘等破窗設(shè)備的弊端，設(shè)計一種新型智能破窗器，通過傳感器實現(xiàn)對車內(nèi)溫度、煙霧質(zhì)量濃度等環(huán)境因素的實時性監(jiān)測，應(yīng)急報警，快速響應(yīng)，精準擊破，最大程度增加逃生時間，提升客車安全性，將損失降到最低。

關(guān)鍵詞：實時監(jiān)測;傳感器;自動破窗

1? ? 智能破窗器結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)

自動破窗器控制系統(tǒng)是由中央處理器、電源模塊、點火驅(qū)動模塊、信號處理模塊、傳感器總線系統(tǒng)模塊、煙霧傳感器和溫度傳感器診斷與檢測模塊、通信模塊等組成（見圖1）。

自動破窗器通過煙霧和溫度傳感器時刻采集車廂內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將相關(guān)信息傳輸至中央控制器進行處理，當(dāng)超過閾值時，以最快的速度做出反應(yīng)，驅(qū)動點火裝置，實現(xiàn)破窗，并且由通信模塊通過車載通信設(shè)備向車輛地面管理系統(tǒng)發(fā)出車輛事故的信號，等待及時救援[1]。

2? ? 智能破窗器系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 中央控制器

微控制器選用STM8AF6266來構(gòu)建系統(tǒng)（見圖2）為其引腳分布。其內(nèi)部有32K EPROM，2 k內(nèi)存，有7路A/D，并且有SCI，SPI，IIC和CAN等總線接口。其內(nèi)部還具有硬件乘法器，4個定時器，可設(shè)置中斷優(yōu)先級，高達10 MIPS的運算速率，芯片簡單高效功能齊全，滿足破窗器的要求。

中央控制單元主要集成以下功能：

（1）對煙霧傳感器和溫度傳感器的信號進行處理。

（2）在汽車發(fā)生火災(zāi)時，能及時有效控制破窗器。

（3）診斷電控單元內(nèi)部、外部功能和系統(tǒng)部件。

（4）存儲煙霧類型和溫度持續(xù)時間，并通過診斷總線接口讀出故障信息。

2.2? 電源模塊

自動破窗器系統(tǒng)的無源保護網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，可以杜絕高壓尖峰、持續(xù)過壓、電池反向和電流過度消耗造成的損害。如果負載電流超過1 A的時間太長，保險絲F1就會熔化。D1與F1結(jié)合防止電池反向連接造成損害，大電流流經(jīng)正向偏置的D1并燒斷保險絲。并且電感器增加了很小的電阻，來限制輸入瞬態(tài)的轉(zhuǎn)換率以及峰值故障電流，從而在出現(xiàn)尖峰的時候，幫助C1實現(xiàn)了嵌位[2]。

2.3? 煙霧、溫度傳感器

對于溫度的監(jiān)測采用的是常用的DS18B20溫度傳感器，該傳感器體積小、功耗低、測溫精確且范圍廣。DS18B20采用的是寄生電源供電的方式，功耗小，能較好滿足要求。煙霧傳感器使用的是監(jiān)測可燃氣體煙霧的MQ-2，具有高靈敏度、快速響應(yīng)恢復(fù)以及優(yōu)異的穩(wěn)定性的優(yōu)點。用的煙霧傳感器靈敏度在0.15～0.3 dB/m，溫度傳感器以及傾角傳感器的監(jiān)測精度均達到國家標準，且滿足防塵、防蟲、抗白光干擾、抗震設(shè)計要求。

2.4? 點火系統(tǒng)

采用MOTOROLA公司的四通道點火驅(qū)動芯片MC33797，與處理器之間的通信主要通過串行外圍設(shè)備接口SPI來實現(xiàn)。處理器通過主從芯片間的SPI通信來實現(xiàn)對該驅(qū)動芯片進行正確的控制和診斷。在本系統(tǒng)中，STM8AF6266單片機作為中央處理單元，本身具有一個硬件SPI接口。STM8AF6266單片機作為主器件，MC33797驅(qū)動芯片作為從器件。具體點火系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

3? ? 智能破窗器系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計總體思想如圖5所示，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集與處理判斷上經(jīng)過碰撞識別算法確保正確有效，然后交給控制算法進行判斷。除此之外，為保證系統(tǒng)的可靠性，每次啟動都會進行上電自檢以及模塊循環(huán)，只要無意外情況發(fā)生，模塊的檢測就會循環(huán)進行。對周圍溫度的界定以及空氣煙霧質(zhì)量濃度來判斷汽車所處狀況，當(dāng)汽車處在危險境遇時實行破窗行為。即當(dāng)自檢時發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)會產(chǎn)生故障提示，等到故障被解決后又進入正常工作[3]。

4? ? 結(jié)語

經(jīng)過測試，相較于目前普遍采用的安全錘等人力破窗設(shè)備，雖然是有效的逃生工具，但在復(fù)雜多變的事故災(zāi)難面前，本設(shè)計也存在著致命的不足。本研究研發(fā)的自動破窗器可以完全避免人力破窗的所有不足，通過傳感器裝置實時檢測車內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)來判斷事故是否發(fā)生，若判斷出事故發(fā)生則自動啟動破窗裝置。智能破窗器無論是在技術(shù)實現(xiàn)上還是安全可靠性上都具有很大的革新，高精準的實時性以及具有實用性將帶來一定的社會經(jīng)濟效益。因此，值得向市場推廣以及進一步研究、完善。

[參考文獻]

[1]許世維，唐自強，王鵬，等.汽車自動破窗逃生系統(tǒng)的研發(fā)[J].現(xiàn)代制造工程，2016（2）：36-40.

[2]李華洋.基于微控制器的客車火災(zāi)報警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（6）：74-77，82.

[3]肖偉權(quán)，蔡純潔，周東明.基于MC33797的安全氣囊點火驅(qū)動電路[J].儀表技術(shù)，2007（10）：61-62，65.

Abstract：In recent years， accidents of bus fire often occur， and are often accompanied by huge loss of personnel and property. The purpose of this paper is to design a new type of intelligent window breaker in view of the disadvantages of safety hammer and other window breaking equipment commonly used in medium and large passenger cars. The real-time monitoring of environmental factors such as temperature and smoke concentration in the vehicle is realized by sensor， emergency alarm， rapid response and accurate breakdown are realized， the escape time is increased to the greatest extent， the safety of bus is improved， and the loss is minimized.

Key words：real-time monitoring; sensors; automatic window breaking