汽車智能透氣功能之硬件電路設(shè)計(jì)

童平鋒

(鄂州職業(yè)大學(xué)，湖北鄂州 436000)

隨著人們生活水平的日益提高和汽車的逐步普及，家用汽車作為一種代步工具已進(jìn)人千家萬戶，同時(shí)消費(fèi)者對家用汽車的安全性、耐用性、方便性、美觀性等各個(gè)方面也越來越重視。汽車使用者因疏忽大意，近年來兒童在車內(nèi)窒息死亡的悲劇在每年夏季時(shí)有發(fā)生，當(dāng)車門、車窗緊閉時(shí)，車內(nèi)就成了一個(gè)封閉的、狹小的空間，密閉車內(nèi)氣溫飆升，容易導(dǎo)致車內(nèi)孩子出現(xiàn)缺氧、脫水昏迷，甚至窒息死亡。而基于汽車智能透氣功能智能控制器的電路，完全能夠避免此類悲劇的發(fā)生，而且安全可靠，功能完成后自動斷電。此功能如能成為家用車的標(biāo)配，既能提高汽車的智能化程度，同時(shí)又能保護(hù)車內(nèi)的兒童安全。

1 硬件電路結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

為了提高電路的智能化和安全性，本電路采用了功能完善的自動斷開電源電路，減少了蓄電池的消耗。利用單片機(jī)，通過兩個(gè)傳感器對車內(nèi)的人體及車內(nèi)溫度進(jìn)行判別，從而進(jìn)行開窗透氣，操作完成后便立即自動斷電。系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由單片機(jī)模塊、電源控制模塊、傳感器檢測模塊、輸出控制模塊等組成。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 單片機(jī)的選取

目前市場上單片機(jī)的種類有很多，本文選用深圳宏晶科技公司的雙列直插16腳單片機(jī)STC15W204S。它是單時(shí)鐘(1T)單片機(jī)，其具有寬電壓、高速、高可靠、低功耗的特點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)部集成高精度RC時(shí)鐘，內(nèi)置高可靠復(fù)位電路，從而徹底省掉外部晶振和外部復(fù)位電路。片內(nèi)有4K字節(jié)的程序存儲器，工作溫度-40℃～+85℃[1]。

3 電源控制模塊

電源模塊由圖2、圖3、圖4和圖5四部分組成(圖3中繼電器端子號分別與圖4中端子號對應(yīng)連接)。電源控制模塊工作原理分兩部分：第一部分為12V受控電源，此12V受控電源由車鑰匙控制點(diǎn)火開關(guān)30端與SU端的接通和斷開控制。其原理：當(dāng)駕駛?cè)嗽谲嚿喜⑶臆囪€匙插進(jìn)點(diǎn)火開關(guān)時(shí)30端與SU端接通。圖3電路輸入端為高電平，此時(shí)三極管Q導(dǎo)通工作，繼電器得電，兩組常開觸頭閉合，蓄電池BT1-12V經(jīng)FU2A熔斷器及繼電器觸頭給電容C1充電。圖4電路無12V電壓輸出，透氣電路不工作，此時(shí)汽車正常工作，互不干擾。當(dāng)駕駛?cè)税纬鲕囪€匙時(shí)30端與SU端斷開，這時(shí)三極管基極由高電平變?yōu)榈碗娖?V,此時(shí)三極管截止不工作，繼電器由于失電，兩組常開觸頭復(fù)位(3與5接通；4與6接通)。此時(shí)圖4電路中電容C1上儲存的電壓，經(jīng)過繼電器常閉觸頭供給A點(diǎn)(即運(yùn)算放大器TL061的同相輸入端)與B點(diǎn)(即運(yùn)算放大器TL061的反相輸入端)基準(zhǔn)電壓作比較。當(dāng)UA>UB時(shí)運(yùn)算放大器TL061輸出高電平，使T1和T2導(dǎo)通輸出+12V電壓供后續(xù)電路工作用。隨著電容C1不斷向R1放電，使UA下降，當(dāng)UA

圖2 汽車點(diǎn)火開關(guān)

圖3 繼電器控制電路

圖4 自動延時(shí)斷電電路

圖5 5V穩(wěn)壓電路

4 傳感器檢測模塊

傳感器檢測模塊由兩個(gè)部分組成。第一部分為車內(nèi)熱釋電型紅外傳感器電路，如圖6，熱釋電型紅外傳感器用于人體檢測傳感器，由于溫度為36～37℃的人體輻射出來的熱能是峰值為9～10μm的紅外線[3]，因此可以用熱釋電型紅外傳感器檢測車內(nèi)人體的有無。當(dāng)探測到車內(nèi)有人時(shí)，傳感器S端輸出信號經(jīng)專用傳感信號處理集成電路BISS0001處理放大，放大后的高電平通過引腳2并經(jīng)電阻R11送到單片機(jī)P1.1端口供單片機(jī)處理。第二部分為車內(nèi)溫度傳感器電路，如圖7，該傳感器電路由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻TR和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路LM331[4]組成。由于熱敏電阻TR上輸出的是變化的模擬量信號，單片機(jī)接收的是數(shù)字信號，所以在電路中采用了A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路LM331。A/D 轉(zhuǎn)換電路有很多種，為了簡化電路設(shè)計(jì)，盡可能降低成本，該電路中采用LM331來實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換。LM331具有頻率范圍較寬，非線性失真低，在+5V電壓工作也能保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)功耗非常低在+5V時(shí)僅為15mW。TR輸出端得到隨溫度變化的模擬電壓信號送到LM331進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)LM331引腳3端子輸出給單片機(jī)引腳11端子(P3.2端口)，供單片機(jī)內(nèi)部處理。

圖6 熱釋電型紅外傳感器電路圖

圖7 溫度傳感器電路

5 輸出控制模塊

輸出控制模塊由圖8、圖9、圖10三部分組成。第一部分為接通點(diǎn)火開關(guān)的30—15端子電路如圖8，該電路由12V的繼電器和一只三極管組成，控制點(diǎn)火開關(guān)上30端子與15端子的接通和斷開。第二部分為后窗玻璃下降控制電路如圖9，該電路由一只三極管組成的電子開關(guān)電路，其集電極和發(fā)射極分別與后窗玻璃下降控制按鈕開關(guān)并聯(lián)進(jìn)行控制。第三部分為切斷系統(tǒng)電源控制電路如圖10，該電路由一只三極管組成的電子開關(guān)電路，輸入高電平導(dǎo)通，用于切斷電源控制。

圖8 接通30—15端子控制電路

圖9 后窗玻璃下降控制電路

圖10 切斷電源控制電路

全部智能控制分為三種情況：

(一)當(dāng)駕駛?cè)税纬鲕囪€匙單片機(jī)得電，單片機(jī)得電后開始計(jì)時(shí)，5分鐘后駕駛?cè)诉€沒有來插入車鑰匙，則單片機(jī)內(nèi)部程序立即掃描由車內(nèi)紅外傳感器送來的信號輸入到單片機(jī)P1.1端子進(jìn)行判斷，如為高電平則說明車內(nèi)有人。接著單片機(jī)掃描由車內(nèi)溫度傳感器電路送來的信號經(jīng)端子P3.2輸入給單片機(jī)內(nèi)部頻率計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)并判斷。當(dāng)溫度傳感器電路送來的信號與單片機(jī)程序設(shè)定溫度值(如27℃)進(jìn)行比較，如大于設(shè)定溫度值(如27℃)則單片機(jī)P1.3端子輸出高電平信號，此信號同時(shí)送到圖8和圖9電路的三極管基極，使這兩只三極管飽和導(dǎo)通，此高電平約保持1.5秒(此時(shí)間可以在程序中修改)，從而控制后窗玻璃下降10厘米(下降10厘米的作用有兩個(gè)，一是透氣，二是防止兒童從窗戶爬出)，同時(shí)單片機(jī)P1.5端子輸出高電平送到圖10輸入端使三極管立即導(dǎo)通，切斷系統(tǒng)電源，圖10中三極管的集電極和發(fā)射極與圖4自動延時(shí)斷電電路模塊中的R1并聯(lián)。

(二)當(dāng)5分鐘后，內(nèi)部程序掃描由車內(nèi)紅外傳感器送來的信號輸入到單片機(jī)P1.1端子進(jìn)行判斷，如為低電平則說明車內(nèi)無人，此時(shí)單片機(jī)P1.3端子輸出低電平給圖8和圖9電路的基極輸入端，此時(shí)這兩個(gè)電路截止不工作，同時(shí)單片機(jī)P1.5端子輸出高電平給圖10三極管的基極從而使其飽和導(dǎo)通，此時(shí)圖4中電容C1上的電壓迅速變?yōu)?，從而使UA

(三)雖然車內(nèi)有人，但車內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度值(如27℃)，此時(shí)單片機(jī)P1.5端子輸出高電平給圖10三極管的基極從而使其飽和導(dǎo)通，此時(shí)圖4中電容C1上的電壓迅速變?yōu)?，從而使UA

6 本系統(tǒng)硬件成本

為了簡化電路設(shè)計(jì)，盡可能降低成本，該系統(tǒng)采用價(jià)格便宜且容易采購的元件，全部硬件加起來不超過100元。主要元件價(jià)格：STC15W204S單片機(jī)8左右元，熱釋電型紅外傳感器30元左右，負(fù)溫度系數(shù)傳感器15元左右，12V繼電器10元左右，L7805穩(wěn)壓器5元左右，其它電阻、電容、三極管價(jià)格更便宜幾角一只。

7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為便于程序調(diào)試，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，它由主程序和子程序組成。程序先進(jìn)行初始化，然后計(jì)時(shí)5分鐘后判斷車內(nèi)是否有人以及車內(nèi)溫度，根據(jù)判斷結(jié)果完成相應(yīng)的操作。系統(tǒng)主流程如圖11所示。

圖11 主流程圖

8 結(jié) 語

本文介紹了新型汽車智能透氣功能電路，此功能能夠很好地避免兒童被鎖車內(nèi)的悲劇的發(fā)生。這種電路結(jié)構(gòu)原理比較簡單，制造成本較低，元件易于采購；電路響應(yīng)迅速、節(jié)能、易于實(shí)現(xiàn)；抗干擾能力強(qiáng)、壽命長、可靠性高。在汽車安全設(shè)計(jì)時(shí)具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。