汽車智能破窗裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張恒 費(fèi)穎 吳蘇皖 王勇 周玲霞

摘? ?要：近年來(lái)客車起火的事故常有發(fā)生，且往往伴隨著人員與財(cái)產(chǎn)的巨大損失。文章針對(duì)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(jì)一種新型智能破窗器，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)溫度、煙霧質(zhì)量濃度等環(huán)境因素的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，應(yīng)急報(bào)警，快速響應(yīng)，精準(zhǔn)擊破，最大程度增加逃生時(shí)間，提升客車安全性，將損失降到最低。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);傳感器;自動(dòng)破窗

1? ? 智能破窗器結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)破窗器控制系統(tǒng)是由中央處理器、電源模塊、點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)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(cè)模塊、通信模塊等組成（見(jiàn)圖1）。

自動(dòng)破窗器通過(guò)煙霧和溫度傳感器時(shí)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(jìn)行處理，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，以最快的速度做出反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火裝置，實(shí)現(xiàn)破窗，并且由通信模塊通過(guò)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(hào)，等待及時(shí)救援[1]。

2? ? 智能破窗器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 中央控制器

微控制器選用STM8AF6266來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)（見(jiàn)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(gè)定時(shí)器，可設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，高達(dá)10 MIPS的運(yùn)算速率，芯片簡(jiǎn)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(duì)煙霧傳感器和溫度傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理。

（2）在汽車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，能及時(shí)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(chǔ)煙霧類型和溫度持續(xù)時(shí)間，并通過(guò)診斷總線接口讀出故障信息。

2.2? 電源模塊

自動(dòng)破窗器系統(tǒng)的無(wú)源保護(hù)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，可以杜絕高壓尖峰、持續(xù)過(guò)壓、電池反向和電流過(guò)度消耗造成的損害。如果負(fù)載電流超過(guò)1 A的時(shí)間太長(zhǎng)，保險(xiǎn)絲F1就會(huì)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(xiǎn)絲。并且電感器增加了很小的電阻，來(lái)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(shí)候，幫助C1實(shí)現(xiàn)了嵌位[2]。

2.3? 煙霧、溫度傳感器

對(duì)于溫度的監(jiān)測(cè)采用的是常用的DS18B20溫度傳感器，該傳感器體積小、功耗低、測(cè)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(cè)可燃?xì)怏w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(diǎn)。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(cè)精度均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且滿足防塵、防蟲(chóng)、抗白光干擾、抗震設(shè)計(jì)要求。

2.4? 點(diǎn)火系統(tǒng)

采用MOTOROLA公司的四通道點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)芯片MC33797，與處理器之間的通信主要通過(guò)串行外圍設(shè)備接口SPI來(lái)實(shí)現(xiàn)。處理器通過(guò)主從芯片間的SPI通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行正確的控制和診斷。在本系統(tǒng)中，STM8AF6266單片機(jī)作為中央處理單元，本身具有一個(gè)硬件SPI接口。STM8AF6266單片機(jī)作為主器件，MC33797驅(qū)動(dòng)芯片作為從器件。具體點(diǎn)火系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

3? ? 智能破窗器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)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(guò)碰撞識(shí)別算法確保正確有效，然后交給控制算法進(jìn)行判斷。除此之外，為保證系統(tǒng)的可靠性，每次啟動(dòng)都會(huì)進(jìn)行上電自檢以及模塊循環(huán)，只要無(wú)意外情況發(fā)生，模塊的檢測(cè)就會(huì)循環(huán)進(jìn)行。對(duì)周圍溫度的界定以及空氣煙霧質(zhì)量濃度來(lái)判斷汽車所處狀況，當(dāng)汽車處在危險(xiǎn)境遇時(shí)實(shí)行破窗行為。即當(dāng)自檢時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生故障提示，等到故障被解決后又進(jìn)入正常工作[3]。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)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(jì)也存在著致命的不足。本研究研發(fā)的自動(dòng)破窗器可以完全避免人力破窗的所有不足，通過(guò)傳感器裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)來(lái)判斷事故是否發(fā)生，若判斷出事故發(fā)生則自動(dòng)啟動(dòng)破窗裝置。智能破窗器無(wú)論是在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上還是安全可靠性上都具有很大的革新，高精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)性以及具有實(shí)用性將帶來(lái)一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此，值得向市場(chǎng)推廣以及進(jìn)一步研究、完善。

[參考文獻(xiàn)]

[1]許世維，唐自強(qiáng)，王鵬，等.汽車自動(dòng)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(bào)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(diǎn)火驅(qū)動(dòng)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