一種車內(nèi)環(huán)境危急情況時(shí)的警示電路

關(guān)紫迎，張曉霞，吳靈麗，吳耀德

（長江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北荊州，434023 ）

0 引言

生活水平的提高，使得人們有充足的經(jīng)濟(jì)條件去擁有私人汽車來獲得生活的便捷。據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，截至2021年9月，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.90億輛。隨之而來的還有不同交通事故的高發(fā)，造成了大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。而產(chǎn)生這些嚴(yán)重后果的一個(gè)重要原因是未能對(duì)各種危急狀態(tài)提前警示或事故發(fā)生后救援不夠及時(shí)，在這樣的環(huán)境下，進(jìn)行交通安全研究是非常有必要的。

現(xiàn)如今大多汽車報(bào)警電路的研究重點(diǎn)主要集中在于預(yù)防車輛事故的發(fā)生，報(bào)警種類也較為單一，而對(duì)于多種危急狀態(tài)的綜合報(bào)警，以及呼叫求助方面的研究還未完善成熟。結(jié)合行車過程中多種危急情況（比如嚴(yán)重的碰撞、車體側(cè)翻、剎車失靈、老幼人員受困、車內(nèi)外起火、落水等等），設(shè)計(jì)了一種多功能聲光報(bào)警電路，既用于警示車內(nèi)人員逃生，又可以提醒一定距離范圍內(nèi)的過往車輛及行人注意避讓或提供救援。

1 電路總體框架設(shè)計(jì)

該電路分為兩個(gè)部分，分別是本車的直接報(bào)警電路和異車報(bào)警接收感知電路。

考慮到不同的危急情況，在電路系統(tǒng)當(dāng)中加入相應(yīng)的感應(yīng)器，在行車發(fā)生事故時(shí)感應(yīng)檢測(cè)事故情況，用語音報(bào)警電路給予本車人員聲光警示，并將本車事故情況編碼，然后通過發(fā)射電路給異車發(fā)送警示和求救信號(hào)。

本車直接報(bào)警電路由各類傳感器，總控制電路、報(bào)警類型編碼電路、報(bào)警信號(hào)發(fā)射電路，語音呼叫和燈光顯示電路組成。該部分發(fā)射的報(bào)警信號(hào)還可以作為專業(yè)救援部門的搜救指引信號(hào)，本車報(bào)警電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 本車電路框架圖

當(dāng)異車報(bào)警感知電路工作時(shí)收到事故車輛發(fā)出的信號(hào)，通過解碼電路進(jìn)行解碼能識(shí)別事故車輛的事故類型并給予異車車主聲光示警，同時(shí)通過距離識(shí)別電路判斷事故車輛位置范圍，借助以上電路工作來避免異車與事故車輛發(fā)生二次車禍，以及時(shí)提供事故車輛救援減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

異車報(bào)警感知電路包括警示信號(hào)接收電路，信號(hào)解碼電路、距離判別電路、語音提示電路。該系統(tǒng)在行車環(huán)境危急情形下由各傳感器進(jìn)行相應(yīng)的判別，及時(shí)觸發(fā)報(bào)警請(qǐng)求救援，異車報(bào)警接收電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 異車電路框架圖

2 具體電路硬件設(shè)計(jì)

■2.1 分部硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器

為應(yīng)對(duì)各種危急情況，在電路中設(shè)置相應(yīng)的傳感器，其中包含有NIS-07離子式煙霧傳感器、LM35溫度傳感器以及HC-SR501紅外傳感器等，面臨火災(zāi)，車內(nèi)人員滯留等情況時(shí)都能做到及時(shí)檢測(cè)以及警示。

NIS-07離子煙霧感應(yīng)器是一種通過相當(dāng)于煙敏電阻的電離室引起的電壓變化來感知煙霧離子的微電流變化裝置，將收集到的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

LM35器件有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，其輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，溫度每上升1℃，電壓上升10ms。溫度傳感器再加上HC-SR501紅外傳感器探測(cè)到活物發(fā)出的紅外線，二者共同作用輸出信號(hào)傳遞給控制電路。

2.1.2 組合電路

器件選用雙運(yùn)算放大器LM358，四—二輸入與門74HC08，三—三輸入或門74HC4075。

V1～V4為各類傳感器閾值比較的基準(zhǔn)電位，各類傳感器實(shí)際測(cè)定的參數(shù)與其比較，超過閾值電壓時(shí)，比較器輸出的電位為高電位，否則為低電位。例如溫度傳感器LM35測(cè)定的溫度為55℃時(shí)，輸出的模擬電壓為3.2V，此時(shí)超過預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓V2，輸出高電位。紅外傳感器HC-SR501感應(yīng)到人體紅外線時(shí)，觸發(fā)的模擬電壓也超過基準(zhǔn)電壓V3輸出高電位，此時(shí)LM35與HC-SR50同時(shí)輸出有效，與門74HC08輸出高電位。另外若煙霧傳感器NIS-07檢測(cè)到車內(nèi)環(huán)境煙霧濃度超過正常范圍時(shí)，輸出的模擬電壓值將超過基準(zhǔn)電壓的閾值，輸出高電位。以上任意條件之一被滿足時(shí)，都會(huì)經(jīng)過或門高電位輸出。

圖3 組合電路設(shè)計(jì)

2.1.3 編碼/解碼電路

PT2262/2272是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射/接收芯片，是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路。其中發(fā)射芯片PT2262是由載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成而一身，使得發(fā)射電路非常簡潔。

在使用中，我們通常采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路PT2262和解碼電路PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，每個(gè)引腳有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地，所以可選擇的地址編碼一共有38=6561組。我們可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定地址碼，只有編碼電路PT2262和解碼電路PT2272的地址碼對(duì)應(yīng)一致時(shí)，才能完成配對(duì)接收。

在本次使用中，我們將兩個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的地址碼預(yù)先設(shè)定成相同，其他的引腳設(shè)定為數(shù)據(jù)碼，數(shù)據(jù)碼位數(shù)由傳感器的數(shù)量和類型決定，PT2262輸出信號(hào)經(jīng)高頻放大后發(fā)射。異車接收電路將經(jīng)由天線和高頻放大電路放大后的已調(diào)波送入到PT2272，設(shè)有相同地址碼的PT2272接收信號(hào)后將數(shù)據(jù)碼解調(diào)出來并傳輸給語音芯片。

2.1.4 語音模塊DTM3202

DTM3202是一款帶USB直接更新語音內(nèi)容，音量大小可調(diào)且支持32G的內(nèi)存卡，帶12V輸出電壓的語音模塊。它能夠10路一對(duì)一控制語音播放，還可以設(shè)置上電自動(dòng)循環(huán)播放所有語音。將MP3格式的音頻文件拷貝到TF卡，聲音排序按文件名排列，以5位數(shù)字命名，例如00001，通過IO口功能配置軟件，生成配置存入TF卡。

2.1.5 距離范圍判別電路

此電路由高頻檢波與比較電路組成，利用不同的電信號(hào)強(qiáng)度可以判別本車與異車的距離大致范圍，以警示周圍的車輛以及行人報(bào)警或避讓或是救援。

檢波電路由檢波管D，RC電路構(gòu)成，完成對(duì)接收到的幅度已調(diào)波的幅度檢波，輸出的模擬電壓值將送入到比較電路的比較輸入端。比較電路采用集成運(yùn)放構(gòu)成，其輸出電壓范圍為：0～5V。本次距離判別分為0～100m、100～500m、500～1000m三個(gè)大致范圍，故采用三級(jí)過電壓比較器來實(shí)現(xiàn)，那么比較器的閾值電壓根據(jù)對(duì)應(yīng)范圍實(shí)測(cè)參數(shù)確定，在電路中有分壓電阻的取值來實(shí)現(xiàn)。

高頻放大后的信號(hào)經(jīng)幅度鑒別判定距離后，得出與距離對(duì)應(yīng)的代碼，該組代碼與PT2272解碼出的數(shù)據(jù)碼一起共同傳輸給語音芯片，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖4 距離范圍判別電路設(shè)計(jì)

■2.2 總電路圖

綜上所述，本車電路主要由各類傳感器通過組合電路輸出信號(hào)觸發(fā)語音芯片和帶狀LED發(fā)出聲光以警示駕駛員，且將相應(yīng)的傳感器觸發(fā)情況傳遞給PT2262芯片，編碼發(fā)射給異車。

異車電路的接收頭接收到信號(hào)以后，將其通過PT2272解碼并且經(jīng)過幅度鑒別傳遞給語音模塊。

3 電路測(cè)試及仿真

■3.1 組合電路的仿真

采用Protues仿真，設(shè)置高低電平轉(zhuǎn)換開關(guān)模擬傳感器是否觸發(fā)，當(dāng)按下任意一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，經(jīng)三輸入或門輸出高電平。

■3.2 幅度鑒別電路的仿真

我們利用高頻檢波和比較電路組成幅度鑒別電路。接收頭接收到的信號(hào)傳輸給高頻檢波部分，這部分的作用是從已調(diào)制的高頻檢波中恢復(fù)出原來的調(diào)制信號(hào)。在比較電路部分，利用不同的電阻，使得反相端輸入的電壓不同，使得輸出不同的數(shù)字信號(hào)，判斷其距離范圍。

示波器XSC1為電路的輸入波形，示波器XSC2/3/4為輸出的信號(hào)幅值情況，將它們進(jìn)行幅度鑒別，可以看出他們的延時(shí)不同，得到類似于000～111八種情況，由此判斷出距離范圍。

圖5 本車報(bào)警電路圖

圖6 異車接收感知電路圖

圖7 組合電路仿真

圖8 幅度鑒別電路仿真

4 結(jié)論與展望

本電路分為本車直接報(bào)警電路和鄰車報(bào)警感知電路，本車感應(yīng)到不同的危急情況，給予本車聲光警示，可以給車內(nèi)人員更多的反應(yīng)時(shí)間能夠自救，并且一定距離范圍內(nèi)的異車可以得到提示遠(yuǎn)離事故車輛或是給予救援，使用十分方便，電路的編碼信息可以與GPS定位系統(tǒng)連接且不依靠現(xiàn)有的通訊網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于減少危急狀況下的人員財(cái)產(chǎn)損失具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義。

圖9 幅度鑒別電路仿真結(jié)果