加速度傳感車禍檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計

李思霖 張自強 包愷俊

（上海師范大學(xué)，上海201400）

1 設(shè)計背景及意義

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，全民生活質(zhì)量有了很大改觀，安全意識也逐步提高，尤其是在汽車安全領(lǐng)域，隨著汽車行駛速度的不斷提高，行駛安全性和各種安全措施日益受到人們的關(guān)注。安全氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)等安全措施的廣泛應(yīng)用，對降低汽車碰撞率及制動時事故率有顯著的效果。碰撞事故卻一直是汽車重要的安全問題之一，美國公路安全局的統(tǒng)計表明，在所有交通事故中，汽車碰撞事故居第一位。據(jù)專家統(tǒng)計，67%的交通死亡事故是由車禍造成的。因此，汽車安全問題日益受到社會的關(guān)注，提高汽車安全性能也成為眾廠商博弈商場的殺手锏。基于以上原因，及時檢測車禍的發(fā)生有著重要的意義。

2 系統(tǒng)方案

2．1 方案實現(xiàn)方法

51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel 8031單片機，后來隨著Flash ROM技術(shù)的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進步，成為目前應(yīng)用最為廣泛的8位單片機之一。本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2型單片機作為系統(tǒng)核心控制單元。此款單片機是宏晶科技公司生產(chǎn)的高速度、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，但速度快8～12倍。此款單片機操作方便，需要的外圍電路相對比較簡單，可利用2302串口通信芯片通過USB接口直接與上位機完成通信，并可通過USB接口下載程序到單片機，完全滿足本系統(tǒng)運動控制的要求。利用A／D采集加速度傳感器MMA7260的值監(jiān)測小車運行狀態(tài)，一旦判斷是發(fā)生車禍，系統(tǒng)將會控制安全氣囊彈出，并且通過蜂鳴器和閃爍的LCD發(fā)出信號吸引其他人員的注意力，實現(xiàn)報警功能。

2．2 方案論證

2．2．1 控制器模塊

方案1：采用STC12C5 A60S2單片機。51單片機價格便宜，應(yīng)用廣泛，開發(fā)周期短、難度低，內(nèi)部集成了8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換器，足夠系統(tǒng)使用。方案2：采用PHILIPS公司的ARM芯片LPC2131。LPC2131的工作速度快，I／O資源豐富，并集成PWM控制。芯片內(nèi)置JTAG電路，可在線仿真調(diào)試，大大簡化了系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試的復(fù)雜度，但是開發(fā)難度稍大。根據(jù)系統(tǒng)要求，我們選用方案1中的STC12C5 A60S2作為主控制器。

2．2．2 電機模塊

方案1：采用步進電機控制小車的運動，能實現(xiàn)小車的精確控制，較好地達到小車及時停車的目的，但是轉(zhuǎn)動速度較慢。方案2：采用直流減速電機控制小車的運動，控制起來相對不夠精確，但直流減速電機力矩大，轉(zhuǎn)動速度快。按照設(shè)計要求，小車需要快速運動，因此我們選用方案2。

2．2．3 顯示模塊

方案1：用LCD顯示，顯示內(nèi)容豐富。方案2：用LED顯示，亮度高、成本低、操作簡便，但顯示信息量不足，驅(qū)動占用單片機I／O較多。考慮到需要顯示的內(nèi)容較多，故選擇方案1。

2．2．4 電源模塊

方案1：電池組供電，可提供800 mAh電流，重量很輕。方案2：鎳鎘電池供電，電流大，而且有一定的重量。方案3：鉛酸電池供電，電流、電容量大，但是重量過大，影響速度和轉(zhuǎn)向。考慮到要用4個電機，需要較大的電流，又要保證速度，所以采用方案2鎳鎘電池供電。因為鎳鎘電池能提供較大的電流，并且有一定的重量，可以保持小車前后平衡。

2．3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)上文分析，我們設(shè)計的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 理論分析與計算

我國汽車正面碰撞標(biāo)準GB11551—2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》要求：速度50 k m／h下作100%正面碰撞（車輛正面完全撞在障礙物上，車頭的受力面為100%）。汽車在50 k m／h以下的速度發(fā)生碰撞還是比較安全的，而50 k m／h以上的速度發(fā)生碰撞則很危險。汽車在發(fā)生車禍碰撞時持續(xù)變形時間一般為40～80 ms，隨著碰撞相對速度增加，碰撞持續(xù)時間會逐漸減少。碰撞速度與碰撞位置精度的關(guān)系如表1所示。

表1 碰撞速度與碰撞位置精度的關(guān)系

碰撞速度與時間的關(guān)系如表2所示。

表2 碰撞速度與時間的關(guān)系

根據(jù)公式：得到碰撞速度與加速度的關(guān)系如表3所示。

表3 碰撞速度與加速度的關(guān)系

從表3可以看出，碰撞速度越大加速度越大，車上人員受傷的可能性就更大。加速度與對應(yīng)速度60 k m／h、70 k m／h、80 k m／h的關(guān)系可以近似為：

由式（2）可得，50 k m／h碰撞的近似加速度為11g，即當(dāng)加速度達到11g時足以證明發(fā)生了嚴重的汽車碰撞事故，很大可能讓司乘人員受傷，甚至失去生命，所以應(yīng)該立刻自動發(fā)出車禍報警。

4 電路與程序設(shè)計

4．1 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示。該系統(tǒng)包括主控MCU STC12C5 A60S2、復(fù)位電路、晶振電路和電源指示燈。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路

4．2 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊如圖3所示，主要用SGS公司的L298 N芯片控制直流減速電機。

圖3 電機驅(qū)動電路

4．3 軟件功能設(shè)計

軟件實現(xiàn)的功能如下：（1）初始化系統(tǒng)；（2）讀取加速度傳感器 A／D值；（3）處理數(shù)據(jù)；（4）匯總。

4．4 工作流程圖

系統(tǒng)的主程序流如圖4所示。

小車開始運行后，加速度傳感器開始工作，當(dāng)檢測到加速度的值超過設(shè)定值后，LCD顯示報警，如果加速度的值沒有超過設(shè)定值，系統(tǒng)繼續(xù)運行，重復(fù)檢查加速度的值。

5 結(jié)語

隨著車輛的不斷增加，如何更好地保護人類生命安全已成為新一代安全系統(tǒng)的研究課題，人們對汽車被動安全裝置特別是新型智能化汽車安全開發(fā)技術(shù)提出了更高的要求。本文給出了基于加速度傳感器的車禍報警系統(tǒng)的設(shè)計方法和功能介紹。在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天，汽車已成為人們主要的交通工具之一，但是交通事故的傷亡數(shù)量也在逐年上升。因此，利用高科技去挽救人們的生命將會成為人們越來越關(guān)注的問題。基于加速度傳感的車禍報警系統(tǒng)正是懷著這種理念而設(shè)計的，相信這種系統(tǒng)的推廣會給現(xiàn)代汽車行業(yè)帶來更多的安全。

圖4 系統(tǒng)的主程序流程圖

［1］張金換，王曉冬，黃世霖，等．汽車安全氣袋系統(tǒng)的研究［J］．清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1997（11）

［2］邱卓丹．現(xiàn)代汽車安全技術(shù)的研究發(fā)展［J］．湖南工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2002（3）

［3］黃仁欣，馬彪．單片機原理及應(yīng)用技術(shù)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005

［4］魯植雄．汽車安全氣囊系統(tǒng)故障診斷圖解［M］．南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2003