一種汽車(chē)安全預(yù)警裝置的設(shè)計(jì)

樓澤宇

摘要：目前的車(chē)輛安全防護(hù)系統(tǒng)尚未有針對(duì)車(chē)輛突然傾覆、突然調(diào)頭、沖出路面墜落等狀態(tài)的安全防護(hù)措施。汽車(chē)安全預(yù)警裝置是安裝在汽車(chē)上用于顯示汽車(chē)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息并在車(chē)輛發(fā)生左右側(cè)傾角或前后俯仰角過(guò)大、轉(zhuǎn)向太快、車(chē)體瞬間拋空時(shí)發(fā)出預(yù)警的裝置。預(yù)警裝置采用高速單片機(jī)及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器進(jìn)行車(chē)輛行駛中的姿態(tài)數(shù)據(jù)采集與計(jì)算分析，可實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛的側(cè)傾角、俯仰角、運(yùn)動(dòng)方位角、重力加速度等信息，當(dāng)這些信息數(shù)據(jù)接近影響行車(chē)安全的狀態(tài)時(shí)可發(fā)出預(yù)警提醒，達(dá)到嚴(yán)重程度時(shí)還輸出機(jī)械安全保護(hù)裝置的啟動(dòng)信號(hào)，最大限度地提高行車(chē)的安全性。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)；運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；安全；預(yù)警

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0206-04

汽車(chē)行駛中的側(cè)傾角、角速度、重力加速度等是反映車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要安全信息數(shù)據(jù)。LEADIY-M3C型傳感器可以測(cè)量并輸出三維的角速度、三維的加速度、地球磁場(chǎng)數(shù)據(jù)以及氣壓、溫度、海撥數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)高速單片機(jī)快速運(yùn)算后可以得到反映行駛車(chē)輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的信息數(shù)據(jù)，如車(chē)輛的左右側(cè)傾角、前后俯仰角、轉(zhuǎn)向速率、垂直方向的重力加速度等，利用這些數(shù)據(jù)可以為車(chē)輛是否處在安全行駛狀態(tài)提供判斷依據(jù)。當(dāng)行駛中的車(chē)輛發(fā)生大角度的傾斜、急速轉(zhuǎn)向、車(chē)體拋空時(shí)，汽車(chē)安全預(yù)警裝置可發(fā)出預(yù)警信號(hào)，當(dāng)有更嚴(yán)重的車(chē)輛傾覆、急剎甩頭、沖出路面等危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，可同時(shí)與車(chē)輛安全保護(hù)執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，為車(chē)輛上的乘客安全提供一種保護(hù)。

1 電路設(shè)計(jì)

圖1為汽車(chē)安全預(yù)警裝置的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。預(yù)警裝置主要由傳感器模塊、單片機(jī)處理模塊、信息顯示與報(bào)警輸出模塊、電源模塊等組成。傳感器模塊與單片機(jī)處理器通過(guò)串口進(jìn)行通信，傳感器模塊根據(jù)單片機(jī)指令可發(fā)送三維角速度、三維加速度、姿態(tài)角以及大氣壓、海撥高度、溫度等數(shù)據(jù)。單片機(jī)處理器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理并送液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示左右傾角、前后俯仰角、運(yùn)動(dòng)方向角、垂直加速度等信息。報(bào)警器具有聲光提醒功能，聯(lián)動(dòng)輸出信號(hào)為機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供啟動(dòng)信號(hào)。電源模塊將9-30V的直流電壓變換成5V的穩(wěn)定電源。通信接口用于系統(tǒng)升級(jí)或與汽車(chē)電腦通信。

1.1 單片機(jī)處理器

單片機(jī)處理器采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)，使用44腳的方形貼片封裝（LQFP-44），主要參數(shù)為：

（1）電源電壓：5.5-3.5V

（2）時(shí)鐘頻率：最大35MHZ

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：1280字節(jié)

（4）程序存儲(chǔ)器：60K字節(jié)

（5）EEPROM：1K 字節(jié)

（6）8通道10位ADC轉(zhuǎn)換器。

圖2為單片機(jī)處理器電路原理圖。主要資源使用情況為：P3.4-P3.7用于中文液晶顯示；P1.2-P1.3用于與姿態(tài)傳感器通信；P3.0-P3.1用于程序下載及工作時(shí)的數(shù)據(jù)輸出；P1.4-P1.7口用于功能按鍵開(kāi)關(guān)，為了提高處理器的運(yùn)算速度，晶振采用24MHz。

1.2 姿態(tài)傳感器模塊

姿態(tài)傳感器采用軟芯微科技有限公司的LEADIY-M3C模塊，使用5V供電。其中重力加速度的測(cè)量范圍最大為正負(fù)8g，角速度為2000度/秒，磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量范圍為正負(fù)2.5 gauss，測(cè)量時(shí)量程可根據(jù)需要設(shè)定，姿態(tài)傳感器與單片機(jī)處理器采用串行口通信，波特率有115200 Baud、9600 Baud、230400 Baud、460800 Baud四檔可設(shè)定。

1.3 信息顯示電路

中文顯示屏使用中文液晶顯示模塊12864M-3，可顯示4行×8個(gè)中文漢字，由于汽車(chē)安全預(yù)警裝置顯示刷新的速度要求不高，所以使用串行接口方式進(jìn)行通信。顯示屏接口電路如圖3。串口使用時(shí)，液晶模塊接口的15腳需接地，其中模塊的20腳為背光燈負(fù)端，與單片機(jī)的P3.4口相連。模塊的4腳為使能端口，與單片機(jī)的P3.7相連。模塊的5腳為數(shù)據(jù)端口，與單片機(jī)的P3.6相連。模塊的6腳為時(shí)鐘端口，與單片機(jī)的P3.5相連。

1.4 通信接口電路

由于宏晶公司的STC系列單片機(jī)可從串口直接下載程序，因此通信接口電路采用USB轉(zhuǎn)換芯片CH340G。CH340G是一款引腳最少的USB轉(zhuǎn)串口芯片，圖4為其典型的應(yīng)用電路。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意在使用5V的USB電源時(shí)，其第4腳（為3.3V電源接口）應(yīng)接一個(gè)4700PF或0.01μF的小電容，否則電路不能正常工作。另外為了芯片工作時(shí)不影響單片機(jī)電源復(fù)位，在串行口第2、 3腳分別串接一個(gè)二極管和電阻。

1.5 電源電路

電源電路采用DC-DC轉(zhuǎn)換芯片LM2576S，它能將輸入電壓為9V-30V的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+5V直流電壓，非常適合在汽車(chē)設(shè)備中應(yīng)用。圖5為應(yīng)用電路。

2 程序設(shè)計(jì)

汽車(chē)安全預(yù)警裝置的控制程序采用C語(yǔ)言編程，應(yīng)用Keil_C51編譯器平臺(tái)，編程前先安裝Keil μVision2以上版本軟件及USB轉(zhuǎn)串口（CH340G）驅(qū)動(dòng)程序。在程序設(shè)計(jì)調(diào)試中用USB線連接電路板，可直接下載程序運(yùn)行以測(cè)試功能是否正常，調(diào)試編程非常方便。單片機(jī)汽車(chē)安全預(yù)警裝置主要的控制程序有初始化程序、主循環(huán)程序、串口中斷接收數(shù)據(jù)程序、信息運(yùn)算處理程序、顯示程序等。

2.1 初始化程序

單片機(jī)處理器在上電后需要進(jìn)行一系列的初始化工作。汽車(chē)安全預(yù)警裝置控制程序的主要初始化內(nèi)容步驟為：液晶屏初始化、顯示開(kāi)機(jī)信息、設(shè)置串口1及串口2的波特率、開(kāi)串口接收中斷等，最后進(jìn)入主程序循環(huán)。

2.2 主循環(huán)程序

主循環(huán)程序是根據(jù)串行口接收到的傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)不斷運(yùn)算并顯示的過(guò)程，姿態(tài)傳感器輸出的數(shù)據(jù)類(lèi)型是可以設(shè)定的，如選擇接收姿態(tài)幀、溫度氣壓幀、高度幀信息時(shí)，參考主循環(huán)程序代碼可編寫(xiě)如下：endprint

//******以下汽車(chē)安全預(yù)警裝置主循環(huán)程序******//

while（1）

{

keywork（）；//查按鍵信息

if （_Angle_Ok == 1） display_Angle（）；//姿態(tài)幀語(yǔ)句處理

if （_Temp_Pres_Ok == 1） display_T_P（）；//溫度氣壓幀語(yǔ)句處理

if（_Altitude_Ok==1） display_Altitude（）；//高度幀語(yǔ)句處理

switch（STATE） //顯示刷新控制

{

case 0：{Show_INFO1（）；break；}//顯示屏1信息

case 1：{Show_INFO2（）；break；}//顯示屏2信息

default：break；

}

}

//******汽車(chē)安全預(yù)警裝置主循環(huán)程序結(jié)束******//

2.3 姿態(tài)數(shù)據(jù)接收程序

姿態(tài)數(shù)據(jù)接收程序使用串口2，主要是根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)傳感器輸出的幀格式進(jìn)行幀識(shí)別與存儲(chǔ)，如接收到一幀數(shù)據(jù)則給出接收成功標(biāo)志，然后主程序根據(jù)標(biāo)志處理姿態(tài)數(shù)據(jù)。以下為串口2中斷接收姿態(tài)數(shù)據(jù)程序代碼：

//***串口2中斷接收姿態(tài)數(shù)據(jù)程序***//

// A7 7A 72 07 B0 DB 38 21 CB AC 15 姿態(tài)數(shù)據(jù)格式

// A7 7A 74 07 63 D9 00 35 8E 01 00 溫度氣壓數(shù)據(jù)格式

// A7 7A 75 07 12 F9 EB FF FF 00 00 高度幀數(shù)據(jù)格式

//_Angle_Buff[11]； //姿態(tài)數(shù)據(jù)接收緩存

//_Temp_Pres_Buff[11]； //溫度與氣壓接收緩存

//_Altitude_Buff[11]； //高度數(shù)據(jù)

void Lediym3c_rx（void） interrupt 8 using 2

{

static uint8 in1， cnt1， type1；

if （S2CON&0X01） //S2RI=1

{ S2CON &= 0XFE； //S2RI=0

IE2 &=0XFE； //ES2=0 關(guān)串口2中斷

in1 = S2BUF；

if （in1 == 0xA7）{cnt1 = 0；type1 = 0；}

_Hard[cnt1] = in1；

if （cnt1 == 2）

{

if （_Hard[0] == 0xA7 && _Hard[1] == 0x7A && _Hard[2] == 0x72）{if（_Angle_Ok==0）type1 = 1；else type1=0；}//

else if （_Hard[cnt1 - 2] == 0xA7&& _Hard[cnt1 - 1] == 0x7A && _Hard[cnt1] == 0x74）{if（_Temp_Pres_Ok==0）type1 = 2；else type1=0；}

else if （_Hard[cnt1 - 2] ==0xA7 && _Hard[cnt1 - 1] == 0x7A && _Hard[cnt1] == 0x75）{if（_Altitude_Ok==0）type1 = 3；else type1=0；}

else type1 = 0；

}

switch （type1）

{

case 1：{ _Angle_Buff[cnt1] = in1；

if （cnt1==10） // 11個(gè)數(shù)據(jù)

{

_Angle_Buff[0] =0xA7；//

_Angle_Buff[1] =0x7A；//

_Angle_Buff[2] =0x72；//

_Angle_Ok = 1；

cnt1 = 0；type1 = 0；

}

break；}

//

case 2：{ _Temp_Pres_Buff[cnt1] = in1；

if （cnt1==10） // // 11個(gè)數(shù)據(jù)

{

_Temp_Pres_Buff[0] =0xA7；//

_Temp_Pres_Buff[1] =0x7A；//

_Temp_Pres_Buff[2] =0x74；//

_Temp_Pres_Ok = 1；

cnt1 = 0；type1 = 0；

}

break；}

case 3： {_Altitude_Buff[cnt1] = in1；

if （cnt1==10） // // 11個(gè)數(shù)據(jù)

{

_Altitude_Buff[0] =0xA7；//

_Altitude_Buff[1] =0x7A；//

_Altitude_Buff[2] =0x75；//

_Altitude_Ok = 1；

cnt1 = 0；type1 = 0；

}

break；}endprint

default： break；

}

cnt1 ++；

}

IE2 |=0X01； //ES2=1 允許串口2中斷

}

//***串口2中斷接收姿態(tài)數(shù)據(jù)程序結(jié)束***//

3 實(shí)驗(yàn)板制作與測(cè)試

實(shí)驗(yàn)板制作與調(diào)試過(guò)程包括：繪制主控板的電路原理圖和PCB圖、PCB打樣、元器件焊接、檢查調(diào)試電路板、編程并將編譯好的程序代碼燒入單片機(jī)、根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)試硬件電路和修改控制程序、測(cè)試系統(tǒng)的功能等。圖6為實(shí)驗(yàn)板的印制電路板圖。將汽車(chē)安全預(yù)警裝置實(shí)驗(yàn)電路板安裝調(diào)試好后進(jìn)行進(jìn)行車(chē)載測(cè)試，行車(chē)中顯示數(shù)據(jù)能真實(shí)反映車(chē)體的姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)方向，用手翻動(dòng)實(shí)驗(yàn)板達(dá)到傾斜45度以上時(shí)能發(fā)出預(yù)警聲，90度時(shí)能輸出保護(hù)聯(lián)動(dòng)裝置控制信號(hào)。當(dāng)急速轉(zhuǎn)向、舜間自由掉落測(cè)試時(shí)同樣具有預(yù)警和輸出聯(lián)動(dòng)信號(hào)的功能。圖7為汽車(chē)姿態(tài)信息的顯示圖。

4 結(jié)語(yǔ)

用LEADIY-M3C姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)的單片機(jī)汽車(chē)安全預(yù)警裝置具有電路簡(jiǎn)單、程序編程容易、測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，除了用于汽車(chē)等運(yùn)動(dòng)物預(yù)警控制外，也可以用于地面水平度、建筑物高度、溫度、氣壓等靜態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

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