摘 要： 為了保證駕乘人員行車時(shí)的安全，提出了一種基于單片機(jī)的可自動(dòng)系解的智能安全帶的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。該裝置以單片機(jī)AT89S52為控制核心，通過傳感器檢測(cè)和按鍵控制，利用L298N來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止，實(shí)現(xiàn)安全帶的收緊、鎖定、解除等動(dòng)作。另外，抽拉式安全帶采用預(yù)收緊和拉力限制裝置，以及微碰開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)收緊、適度放松和防過卷等功能。
關(guān)鍵詞： AT89S52; 安全帶; 自動(dòng)鎖定; 步進(jìn)電機(jī)
0 引言
現(xiàn)今，機(jī)動(dòng)車的數(shù)量越來越多，安全帶是司機(jī)在車輛駕駛過程中的生命保障，被給予的重視也越來越多。由于一些司機(jī)不好的習(xí)慣，不主動(dòng)系安全帶，在突發(fā)交通事故時(shí)將導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果[1]。統(tǒng)計(jì)表明，不系安全帶是造成道路交通死亡事故的第三大原因，僅次于超速行駛和酒后駕駛。因此，研究設(shè)計(jì)一種可以自動(dòng)為司機(jī)上鎖的安全帶，降低交通事故對(duì)司機(jī)造成的傷害，有著非常大的實(shí)用意義。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)以其體積小、功能強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)生活中廣泛應(yīng)用[2]。本著實(shí)用、可靠、安全、簡潔及經(jīng)濟(jì)等原則，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于單片機(jī)的智能控制安全帶系解裝置[3]，當(dāng)機(jī)動(dòng)車一開始點(diǎn)火時(shí)給駕乘人員自動(dòng)系上安全帶；當(dāng)要解開時(shí)，只要熄火或按下按鈕即可。
三點(diǎn)式安全帶在時(shí)速50 km/h的碰撞中，獲救率達(dá)50%[4]。此外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的巧妙設(shè)計(jì)，利用電機(jī)的牽引作用[5]使得安全帶自動(dòng)完成上鎖，這也使得自動(dòng)安全帶更具有合理性和普遍適用性，可以在很多機(jī)動(dòng)車輛中推廣使用，不受車型的限制，有很廣闊的市場(chǎng)前景。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及其總體方案
機(jī)動(dòng)車智能安全帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需具體實(shí)現(xiàn)以下功能原理：插鑰匙上電，即當(dāng)機(jī)動(dòng)車一開始點(diǎn)火時(shí)本裝置的傳感器工作，安全帶鎖舌通過掛銷在電機(jī)牽引下，沿著設(shè)計(jì)的軌道，與鎖扣契和，無需駕乘人員動(dòng)手即可自動(dòng)幫駕乘人員系上安全帶，當(dāng)要解開時(shí)，只要熄火或一按按鈕即可；通過滑道兩端的微碰開關(guān)，實(shí)現(xiàn)防過卷；利用直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)安全帶鎖定和解除的控制。
1.1 系統(tǒng)總體方案
基于單片機(jī)的機(jī)動(dòng)車智能型安全帶的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
其中，以單片機(jī)AT89S52為控制核心，通過單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊，采用L298N芯片控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止，從而控制安全帶的收緊、鎖定、解除等動(dòng)作；控制按鍵1和2分別產(chǎn)生控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的信號(hào)給單片機(jī)；采用微碰開關(guān)實(shí)現(xiàn)起點(diǎn)、終點(diǎn)電機(jī)自動(dòng)停止來防止安全帶的過卷；5 V穩(wěn)壓模塊與單片機(jī)相連接，可為控制系統(tǒng)提供電源；紅外接近傳感器和熱釋電傳感器檢測(cè)到有人時(shí)則產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號(hào)給單片機(jī)，安全帶啟動(dòng)。
1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)
本裝置最重要的元件是單片機(jī)控制中心AT89S52，它是ATMEL所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flsah存儲(chǔ)器。S系列的是能用下載線進(jìn)行在線編程的ISP，使用簡單的HC244電路，就可以通過電腦上面的程序來對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，無須拆下來放到笨重的編程器上面寫片子。
單片機(jī)外圍線路主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和按鍵電路。
1.3 紅外接近傳感器
紅外接近傳感器的工作原理是利用傳感器的紅外發(fā)射頭對(duì)外發(fā)射一定頻率的紅外線。由于前方物體的阻擋而導(dǎo)致紅外線的反射，通過其中間的時(shí)間差進(jìn)而可以求出前方物體的距離[6]。
結(jié)合應(yīng)用的具體需要，本系統(tǒng)采用E18-80NK紅外接近傳感器，檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出。此紅外開關(guān)傳感器是一種集發(fā)射和接收為一體的反射式光電傳感器，該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、可調(diào)節(jié)測(cè)量范圍、不用外加調(diào)制信號(hào)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)。
1.4 熱釋電傳感器
熱釋電傳感器HC-SR501根據(jù)菲涅耳原理制成，全自動(dòng)感應(yīng)，當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍時(shí)自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。傳感器的各項(xiàng)參數(shù)表明此傳感器可以方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接，適用于本系統(tǒng)。
如圖2所示為熱釋電傳感器外接圖，1和3分別接電源正負(fù)極，2可接單片機(jī)。
1.5 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。它可以直接接受數(shù)字信號(hào)，不需要進(jìn)行數(shù)字與模擬量的轉(zhuǎn)換，具有高精度快速啟停能力。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的、多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的多相時(shí)序控制器。
此系統(tǒng)選用兩相四線制步進(jìn)電機(jī)，由兩組線圈構(gòu)成，其中，紅綠為一組，紅藍(lán)為一組。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移來控制，改變相序可以改變轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
1.6 電機(jī)控制模塊
電機(jī)控制是通過L298N來控制的。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)都由L298N的不同輸出來控制[7]。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕仳?qū)動(dòng)一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N與步進(jìn)電機(jī)連接示意圖如圖3所示。
表 1 是 L298N 邏輯功能表。由表 1 可知 EnA(B) 為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制不起作用；當(dāng) EnA(B) 為高電平時(shí)，In1、In2(In3，In4)輸入電平為一高一低，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；In1、In2(In3，In4)同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)快速停止。
1.7 防過卷模塊
微碰開關(guān)是一種尺寸很小而又非常靈敏的彈簧引動(dòng)的磁吸附式行程開關(guān)。它具有微小接點(diǎn)間隔和快動(dòng)機(jī)構(gòu)，用規(guī)定的行程和規(guī)定的力實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作的接點(diǎn)機(jī)構(gòu)，用外殼覆蓋，其外部有驅(qū)動(dòng)桿。
因該設(shè)計(jì)的智能安全帶是通過電機(jī)帶動(dòng)的，所以這里需要放置兩個(gè)微碰開關(guān)在安全帶滑道前端和末端，用于檢測(cè)安全帶的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)安全帶運(yùn)行到起點(diǎn)或終點(diǎn)時(shí)，能夠自動(dòng)發(fā)送信號(hào)關(guān)閉電機(jī)，從而防止電機(jī)由于長時(shí)間通電而損壞[8]。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用的抽拉式安全帶系統(tǒng)采用與常規(guī)安全帶[9]對(duì)稱的安裝方式，即司機(jī)座位的右上方、右下方和左下方，通過固定右端，改變左邊安全帶的位置實(shí)現(xiàn)安全帶的上鎖解鎖功能。這樣既能做到了不妨礙車輛的美觀，又不妨礙司機(jī)的上下車，同時(shí)又能完成既定的自動(dòng)上鎖功能。
2.1 抽拉式安全帶簡介
抽拉式安全帶都設(shè)有預(yù)收緊裝置和拉力限制器。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，理想的安全帶作用過程是：首先，及時(shí)收緊，在事故發(fā)生的第一時(shí)刻毫不猶豫地把人“按”在座椅上；然后，適度放松，待沖擊力峰值過去，或人已能受到氣囊的保護(hù)時(shí)，即適當(dāng)放松安全帶，避免因拉力過大而使人肋骨受傷。
2.1.1 預(yù)收緊裝置
預(yù)收緊裝置負(fù)責(zé)提供瞬間繃緊的安全帶，目的是防止乘員身體前沖與方向盤、儀表板等發(fā)生碰撞而造成傷害，從感知事故到完成安全帶預(yù)收緊的全過程僅持續(xù)千分之幾秒[10]。其作用過程是：首先由一個(gè)探頭負(fù)責(zé)收集撞車信息，然后釋放出電脈沖，該脈沖傳遞到氣體發(fā)生器上，引爆氣體。爆炸產(chǎn)生的氣體壓力使球動(dòng)，球帶動(dòng)棘爪盤轉(zhuǎn)，棘爪盤帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)，瞬間實(shí)現(xiàn)安全帶的預(yù)收緊功能。棘爪盤與軸連為一體，安全帶就繞在軸上。
2.1.2 拉力限制器
事故發(fā)生后，安全帶在預(yù)收緊裝置的作用下，已經(jīng)繃緊了。但希望在受力峰值過去后，安全帶的張緊力度馬上降低，以減小乘員受力，這項(xiàng)功能就由安全帶拉力限制器來完成：卷繞著安全帶的軸芯里邊是一根鋼質(zhì)扭轉(zhuǎn)棒，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到預(yù)定情況時(shí)，扭轉(zhuǎn)棒開始扭曲，這樣就在一定程度上放松了安全帶，實(shí)現(xiàn)了安全帶的拉力限制功能。
在安全帶預(yù)收緊裝置和拉力限制器的共同作用下，可以配合安全氣囊瞬間完成緊、松、緊三個(gè)動(dòng)作，緩解胸腔壓力，有效保護(hù)駕乘人員的胸部，保護(hù)能力幾乎達(dá)到了理想狀態(tài)，可降低交通事故對(duì)司機(jī)造成的傷害程度。
2.2 車載安全帶滑道設(shè)計(jì)介紹
滑道需安裝于車頂貼近車門的邊緣，前端長度以使安全帶稍高于方向盤的高度為宜，滑道末端需要到達(dá)傳統(tǒng)安全帶固定處?；赖牟牧线x擇了便于彎折、裁剪和固定的復(fù)合材料，滑道中間的彎折角度及固定點(diǎn)可以根據(jù)需要自行調(diào)整，有較強(qiáng)的適用性。
如圖4所示，在滑道上安裝一個(gè)滑塊，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，牽引安全帶沿滑道運(yùn)動(dòng)。滑道末端需安裝一個(gè)電子鎖扣裝置，在檢測(cè)到安全帶滑動(dòng)到末端時(shí)會(huì)自動(dòng)鎖死安全帶。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
如圖5所示為系統(tǒng)軟件功能流程圖。單片機(jī)上電后對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行初始化，然后檢測(cè)安全帶是否位于初始位置，如果位于初始位置，則開始自動(dòng)執(zhí)行滑動(dòng)并鎖扣安全帶的動(dòng)作；如果不在初始位置，則先將安全帶牽引至初始位置。進(jìn)一步判斷座位上是否有人，如果有人，則牽引安全帶滑動(dòng)，并掃描按鍵，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，鎖定安全帶；如果沒有人則不斷檢測(cè)傳感器狀態(tài)，并進(jìn)行按鍵掃描。
4 結(jié)論
本系統(tǒng)以司機(jī)座位為例，對(duì)安全帶自動(dòng)上鎖過程進(jìn)行了詳盡分析，經(jīng)過多次軟硬件綜合測(cè)試，系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的功能，通過傳感器對(duì)各種情況進(jìn)行不同返回值的判斷，將安全帶鎖舌掛銷在電機(jī)牽引下，沿著設(shè)計(jì)的軌道與鎖扣契和，實(shí)現(xiàn)對(duì)乘車人員的自動(dòng)上鎖動(dòng)能；當(dāng)要解開時(shí)，只要熄火或一按按鈕即可。
在機(jī)動(dòng)車輛日益增多的今天，本設(shè)計(jì)可解決行車時(shí)駕乘人員不按規(guī)定使用安全帶的問題，降低交通事故對(duì)司機(jī)造成的傷害，有非常大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] Brasel K J,Quickel R,Yoganandan N, et al.Seat belts are more effective than airbags in reducing thoracic aortic injury in frontal motor vehicle crashes.[J].The Journal of Trauma-Injury, Infection, and Critical Care,2002,53(2):309-313.
[2] 郭天祥. 51單片機(jī)C語言教程[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2010.
[3] 韓力群. 智能控制理論及應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.
[4] 余義. 預(yù)緊式安全帶防護(hù)效率研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué), 2012.