基于PIC單片機的落水汽車生命保護系統(tǒng)

林博 張曉玲 董群華

摘 要：本文研究了一種落水汽車生命保護系統(tǒng)，包括第一腔和第二腔。第二腔內(nèi)設(shè)有控制器U1，第一腔帶有頂蓋的空心球，頂蓋能夠打開，空心球上設(shè)有兩個電極，空心球連接一導氣管，導氣管伸至第二腔后分成第一支路和第二支路。第一支路末端開口，第一支路上設(shè)有第一電磁閥，第二支路連接一個裝有醋酸的第一容器，第一容器通過第二電磁閥連接裝有小蘇打的第二容器，醋酸能夠與小蘇打發(fā)生反應(yīng)生成比空氣分子量大的氣體。第一腔頂部設(shè)有供空心球進口和出口，還設(shè)有能夠蓋住出口的制位蓋以及制位蓋鎖閉機構(gòu)。本設(shè)計不采用氧氣罐，整個系統(tǒng)安全系數(shù)高。

關(guān)鍵詞：保護系統(tǒng);控制器;電磁閥;鎖閉機構(gòu)

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

1 落水汽車生命保護系統(tǒng)現(xiàn)狀

在日常生活中，汽車有時候會誤入深水中，車內(nèi)人員往往因缺氧而釀成慘劇?，F(xiàn)有技術(shù)中存在一種在車內(nèi)配裝氧氣罐的方案，這樣雖然能給解決被淹車輛的暫時供氧問題，但是氧氣罐是易爆品，增加了危險性;而常用Na2O2等直接產(chǎn)生氧氣的材料，又不易保存且這類化學反應(yīng)的本身又對人體有傷害。

2 落水汽車生命保護系統(tǒng)原理

本落水汽車生命保護系統(tǒng)，包括第一腔和第二腔。第二腔內(nèi)設(shè)有控制器U1，第一腔內(nèi)設(shè)有帶有頂蓋的空心球，頂蓋能夠打開，空心球上設(shè)有兩個電極，空心球連接一導氣管，導氣管伸至第二腔后分成第一支路和第二支路，第一支路末端開口，第一支路上設(shè)第一電磁閥，第二支路連接一個裝有醋酸的第一容器，第一容器通過第二電磁閥連接裝有小蘇打的第二容器，醋酸與小蘇打發(fā)生反應(yīng)生成比空氣分子量大的氣體。第一腔頂部設(shè)有供空心球進/出口，還設(shè)有能夠蓋住出口的制位蓋以及制位蓋鎖閉機構(gòu)。第一腔上設(shè)有排水孔，且排水孔所在位置的高度低于兩個電極所在位置的高度。第二腔為密封腔，防止水進入第二腔。預(yù)設(shè)時間為醋酸和小蘇打發(fā)生完全反應(yīng)的時間，醋酸、小蘇打的量能夠支撐反應(yīng)時間維持到頂蓋完全被頂開。當控制器U1檢測到兩個電極短路后再次檢測到兩個電極斷開，則判定空心球已浮至水面。當控制器U1連續(xù)兩次檢測到兩個電極短路后才判定兩個電極短路，醋酸與小蘇打不易在空氣中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，比較穩(wěn)定、成本低、并且產(chǎn)生的二氧化碳無毒無害。

控制器U1判定兩個電極不短路后，控制第一電磁閥打開，并控制制位蓋鎖閉機構(gòu)鎖閉?？刂破鱑1判定兩個電極短路后，控制制位蓋鎖閉機構(gòu)解鎖，空心球浮至水面后控制器U1控制第一電磁閥關(guān)閉、第二電磁閥打開，經(jīng)過預(yù)設(shè)時間后控制器U1再控制第一電磁閥打開、第二電磁閥關(guān)閉，能夠保證醋酸和小蘇打充分反應(yīng)，產(chǎn)生足夠的氣體。

3 PIC單片機落水汽車生命保護系統(tǒng)具體實施方式

（1）本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括第一腔2和第二腔3，第二腔3內(nèi)設(shè)有控制器U1，控制器U1安裝在控制器盒35內(nèi)。第一腔2內(nèi)設(shè)有帶有頂蓋262的空心球261，頂蓋262能夠打開，空心球261上設(shè)有兩個電極，分別為第一電極271和第二電極272。第一電極271和第二電極272可以設(shè)置在空心球261中上部、貼近第一腔2頂部的地方，這樣第一腔2水滿了才會使得第一電極271和第二電極272短路?？招那?61還連接一導氣管28，導氣管28伸至第二腔3后分成第一支路281和第二支路282。第一支路281末端開口，第一支路281上還設(shè)有第一電磁閥31，通過控制第一電磁閥31的打開和關(guān)閉能夠控制第一支路281的打開和關(guān)閉。第二支路281連接一個裝有醋酸331的第一容器33，第一容器33通過第二電磁閥32連接裝有小蘇打341的第二容器34，醋酸與小蘇打只要能夠發(fā)生反應(yīng)生成比空氣分子量大的氣體就可以，醋酸與小蘇打的量能夠支撐反應(yīng)時間維持到頂蓋262完全被頂開。第一腔2頂部設(shè)有供空心球261進、出口。第一腔2上可以設(shè)有排水孔29，且排水孔29所在位置的高度低于兩個電極所在位置的高度。第二腔3可以為密封腔。

系統(tǒng)還包括制位蓋21和制位蓋鎖閉機構(gòu)，制位蓋鎖閉機構(gòu)包括電磁鐵25，制位蓋21的一端連接彈簧22的一端，彈簧22的另一端連接固定架23，固定架23固定在第一腔2頂部，制位蓋21底部設(shè)有槽211，控制器U1控制電磁鐵25中動鐵芯251的運動，動鐵芯251伸出時能夠插入槽211中。電磁鐵25可以通過單獨的電源供電。制位蓋21設(shè)于第一腔2頂部，能夠蓋住出口?？刂破鱑1判定兩個電極不短路后，控制第一電磁閥31打開，并控制制位蓋鎖閉機構(gòu)鎖閉;控制器U1判定兩個電極短路后，控制制位蓋鎖閉機構(gòu)解鎖，空心球261浮至水面后控制器U1控制第一電磁閥31關(guān)閉、第二電磁閥32打開，經(jīng)過預(yù)設(shè)時間后控制器U1再控制第一電磁閥31打開、第二電磁閥32關(guān)閉。預(yù)設(shè)時間為醋酸與小蘇打發(fā)生完全反應(yīng)的時間。如果控制器U1檢測到兩個電極短路后再次檢測到兩個電極斷開，則判定空心球261己浮至水面。當控制器U1連續(xù)兩次檢測到兩個電極短路后才判定兩個電極短路。

（2）本系統(tǒng)電路圖如圖2所示，控制器U1采用型號為PIC12F683的單片機，電壓比較器U2的型號為LM393。第一電極271分別連接第二電阻R2的一端和電壓比較器U2的反相輸入端，第二電阻R2的另一端分別連接電壓比較器U2的電源端、滑動變阻器RP的一個下接線柱和第三電阻R3的一端。第二電阻R2的另一端還輸入5 V的電壓 VCC。第三電阻R3的另一端連接發(fā)光二極管D1的陽極，發(fā)光二極管D1的陰極分別連接電壓比較器U2的輸出端、第二電容C2的一端和控制器U1的GP4/AN3//0SC2/CLK0UT端，第二電容C2的另一端和電壓比較器U2的接地端均接地，電壓比較器U2的同相輸入端連接滑動變阻器RP的一個上接線柱，滑動變阻器RP的另一個下接線柱和第二電極272均接地。第一電磁閥31采用常開型電磁閥，第二電磁閥32采用常閉型電磁閥。第一電磁閥31中線圈的一端輸入12 V電壓，第一電磁閥31中線圈的另一端連接第一三極管Q1的集電極，第一三極管Q1的發(fā)射極接地，第一三極管Q1的基極通過第四電阻R4連接控制器U1的GP2/AN2/T0CKI/INT/C0UT/CCP1端。第二電磁閥32中線圈的一端輸入12 V電壓，第二電磁閥32中線圈的另一端連接第二三極管Q2的集電極，第二三極管Q2的發(fā)射極接地，第二三極管Q3的基極通過第五電阻R5連接控制器U1的GP1/AN1/CIN-/ Vref/ICSPCLK端。電磁鐵25中線圈的一端連接12 V電源的負極，12 V電源的正極連接常閉型電磁繼電器K1的常閉靜觸點，常閉型電磁繼電器K1的動觸點連接電磁鐵25中線圈的另一端，常閉型電磁繼電器K1中線圈的一端輸入12 V電壓，常閉型電磁繼電器K1中線圈的另一端連接第三三極管Q3的集電極，第三三極管Q3的發(fā)射極接地，第三三極管Q3的基極通過第六電阻R6連接控制器U1的GP0/AN0/CIN+/ICSPDAT/ULPWU端。控制器U1的GP3// VPP端分別連接第一電阻R1的一端和第一電容C1的一端，第一電容C1的另一端接地，第一電阻R1的另一端輸入5 V電壓 VCC?？刂破鱑1的 VDD端輸入5 V電壓 VCC，控制器U1的 VSS端接地。5 V電壓 VCC是由12 V電源分壓得到。

4 總結(jié)

本文有益效果：（1）兩個電極不短路時第一電磁閥打開，這樣空心球和車內(nèi)就是連通的，防止空心球內(nèi)氣壓過大而在落水時把頂蓋頂開;（2）兩個電極短路時制位蓋鎖閉機構(gòu)解鎖，這樣就能夠手動將制位蓋打開，空心球就能借助水的浮力浮出出口，空心球的這種運動方式無需靠電或者機械控制，只需利用水本身的浮力即可，設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，方便使用;（3）通過控制第二電磁閥的打開和關(guān)閉來控制醋酸和小蘇打是否發(fā)生反應(yīng)，進而通過反應(yīng)產(chǎn)生的氣體增大空心球內(nèi)的氣壓，從而把頂蓋頂開，設(shè)計巧妙，也無需氧氣罐，氧氣直接來自于外界的空氣，既降低了成本，又提高了安全系數(shù);（4）空心球浮至水面后控制器U1控制第一電磁閥關(guān)閉、第二電磁閥打開，這樣能夠確保頂蓋己完全在水面以上，此時打開頂蓋就不會有水進入空心球中，從而可防止車內(nèi)人員吸入水;（5）經(jīng)過預(yù)設(shè)時間后控制器U1再控制第一電磁閥打開、第二電磁閥關(guān)閉，能夠保證醋酸和小蘇打充分反應(yīng)，產(chǎn)生足夠的氣體，防止出現(xiàn)空心球內(nèi)氣壓不夠而頂不開頂蓋的情況以及球體未伸出水面而打開頂蓋的情況。

本論文實施方式采用的單片機控制器成本低、體積小、系統(tǒng)性能強、使用壽命長，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

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