駕駛員未拔鑰匙離座提示報警系統設計

葛 林，陳子明

（中航愛維客汽車有限公司，江蘇 南通 226017）

駕駛員未拔鑰匙離座提示報警系統設計

葛 林，陳子明

（中航愛維客汽車有限公司，江蘇 南通 226017）

針對商用客車尤其是純電動客車在駕駛員未拔點火鑰匙離座時存在的安全隱患，提出一種有效解決方案。該提示報警系統在駕駛員離座時，如果點火鑰匙仍停留在擋位上，起到聲光報警作用，提醒駕駛員及時拔出點火鑰匙，有效防范安全事故的發生。此外，該裝置預留有靜音按鈕，可以在需要靜音時關閉報警聲，啟動靜音模式。

商用客車；點火鑰匙；聲光報警；安全事故；靜音模式

在車輛行駛過程中，商用客車點火鑰匙置于ON擋位置；而需要使用車內小功率用電器時，通常是置于ACC擋位置；當車輛停車時，點火鑰匙置于OFF擋位置或拔出。

對于傳統能源商用客車而言，有些駕駛員下車時可能將點火鑰匙遺留在擋位開關上忘記拔出，這樣可能會使車輛被未授權的人員誤操作，產生失控的風險。

純電動商用客車采用按鈕式擋位開關，在乘客上車時車輛已處于高壓上電狀態，點火鑰匙在擋位上未拔出，當駕駛員離座維持乘客上車秩序時，若某乘客不小心碰到擋位開關或隨身行李壓到加速踏板上，則有可能致車輛處于非正常的行駛狀態，引發乘員和車外人員的恐慌。嚴重時，將造成車毀人亡的惡性事故發生。

GB/T 18384.2《電動汽車 安全要求 第2部分：操作安全和故障防護》中4.5 駐車規定：當駕駛員離開車輛時，如果驅動系統仍處于“可行駛模式”，則應通過一個明顯的信號裝置（例如：聲或光信號）提醒駕駛員［1］。

因此，需要設計一種提示報警器（以下簡稱提示器），當駕駛員未拔點火鑰匙離座時，能夠實現有聲或光報警，提醒駕駛員及時將點火鑰匙拔出。

1 設計思路及設計要求

1）汽車供電電源特性 根據QC/T413—2002《汽車電器設備基本技術條件》的要求，12 V及24 V標稱電壓的車用電器設備工作電壓范圍見表1［2］。

表1 車用電器工作電壓范圍 V

2） 汽車電子產品乘員艙溫度要求 根據QC/ T413—2002《汽車電器設備基本技術條件》的要求，乘員艙電子設備溫度范圍應按-40～85 ℃進行設計［2］。

3） 選擇合適的外殼 由于客車儀表板上安裝空間十分有限，增加電氣設備需要考慮占用空間較小、便于安裝。翹板開關的安裝尺寸已標準化，可在此基礎上設計提示器外殼。

4）選擇合適的低功耗器件 主要是電源電路、芯片軟硬件的設計，實現低功耗，符合車輛對常電B+靜態電流（暗電流）的要求。

5）選擇合適的駕駛員座椅壓力感知開關 按客車座椅選型設計。壓力開關要求工作可靠，能夠感知人體的體重，且不會導致乘坐不舒服。

6）軟件編程設計 編寫軟件流程圖，編寫各個功能模塊運行的子程序，盡量使軟、硬件結合，處理系統抗干擾性能，調試并修改設計缺陷（BUG），使提示器軟件系統滿足設計要求。

7）制作樣機并裝車測試 按設計要求制作樣品，進行各部分功能測試，裝車驗證，檢查是否滿足設計要求。

2 提示器系統設計

提示器主機由控制主板、外殼組成，其邏輯方框圖如圖1所示。

圖1 提示器邏輯框圖

2.1 設計要求

提示器應能準確采集點火鑰匙擋位的電平變化信號，同時采集駕駛員座椅壓力開關的信號變化，抗干擾性能強。提示報警器自帶聲光報警功能，并預留按鈕，能夠在需要靜音時關閉聲音報警。

考慮到提示器由B+（常電）供電，對提示器的靜態電流要求較高，整個提示器按低功耗要求選型設計，同時滿足啟動時能夠正常工作而不出現異常，即按電源電壓在9～36 V范圍內均應能正常工作［3］。

安裝方式應按小型化、容易安裝的要求進行設計。

2.2 零部件的選型和工作原理

2.2.1 電源轉換電路

根據寬電源、低功耗的設計要求，選用DC-DC直流開關轉換芯片，將外部9～36 V寬電壓電源轉換為穩定的5 V直流電源。該類芯片可選范圍寬，考慮到設計成本，選用市場上較常規的XL1509-5.0E1芯片。該芯片最大轉換電流達到2 A，工作極限電壓45 V，可靠工作電壓上限為40 V，自帶過流保護。芯片為SOP-8封裝，適合本產品的使用［4］。

考慮到汽車電子產品的電源反極性保護及本產品的實際工作電流，選用在電源正極串入二極管1N4004方式來實現。同時，在該二極管的負極和開關電源芯片的輸入端之間串聯一個100 Ω電阻，減少冷啟動時的電流沖擊，并在電源芯片輸入端搭鐵并聯一個大功率的TVS，型號為SMBJ36 A，功率600 W，額定工作電壓36 V，鉗位電壓38～42 V，可有效保護后端的電源芯片不被損壞。

電源芯片實測經驗值為靜態電流2～3 mA，滿足低功耗的設計要求。

因單片機本身為寬電壓低功耗設計，可在2.9～5 VDC電源電壓下正常工作，故本產品的電源無需二次轉換，只使用一組5 V單電源即可。

2.2.2 輸入信號檢測電路

提示器外部的輸入信號主要有ACC信號、ON擋信號（均為高電平有效）以及預留的一路空擋信號（高電平有效）；內部的輸入信號有靜音按鍵信號（低電平有效）。

外部的輸入信號以ACC擋電平信號檢測為例，通過二極管D2、穩壓管D4、電阻（R2、R5、R3）、電容C2、三極管Q1完成信號輸入的轉換。D2、D4的作用主要是將一些低于6 V的無效信號濾除，保證輸入信號大于6.7 V以上，三極管Q1才正常導通。電容C2和R2組成一個RC濾波網絡，濾除高頻的信號干擾。輸入信號檢測電路如圖2所示。

圖2 輸入信號檢測電路

內部的按鍵信號處理電路主要考慮抗靜電干擾能力，通過在按鍵信號上串聯一個小電阻R9，并在靠近單片機I/O口處搭鐵增加一個TVS（額定工作電壓5 V），實現產品按鍵處接觸放電±8kV的抗靜電防護等級。按鍵信號處理電路如圖3所示。

圖3 按鍵信號處理電路

2.2.3 單片機

目前，單片機種類繁多，分為通用型、DSP型、混合型及特殊型等幾種。

根據設計成本和系統要求，控制單片機采用ST公司生產的新型單片機STM8S103系列產品。該系列芯片主要性能如下：高級STM8內核，具有3級流水線哈佛結構；擴展指令集；高速，絕大部分指令一個機器周期，最高16 MHz內部時鐘；2.9～5.5 V寬電壓；多種時鐘可選，內部最高16 MHz RC時鐘和內部低功耗128 kHz RC時鐘適合本產品；多種電源管理模式，如等待、活躍停機、停機等；窗口看門狗和獨立看門狗2個定時器；帶多種通信接口，如UART/SPI/I2C等；單總線接口模塊SWIM和調試模塊DM，方便在線編程和非侵入式調試；多種封裝可選，其中TSSOP20超小型封裝適合于本產品的運用［5-6］。

根據實際需要，選用STM8S103F3P6，寬溫（-40～85 ℃），有16個I/O口，1 K RAM，8 K FLASH，640字節的E2PROM。帶12位ADC，3個定時器，SPI，I2C，UART，所有I/O可以單獨中斷。

因內部時鐘精度為1%，外部的信號處理無需太高精度，故選用芯片的內部時鐘。

2.2.4 單片機外圍電路

按芯片推薦的外圍電路，用RC復位電路完成芯片的上電復位，并在電阻上反相并聯一個泄放二極管，以應對電源的快速波動。

其它如芯片第8腳VCAP，通過一個電容做內部電源的濾波。

ISP接口也按芯片推薦電路預留一個4芯插座，便于在線仿真和軟件升級。

2.2.5 聲音輸出

采用有源蜂鳴器為提示器的聲音輸出器件，可以節省芯片內部資源。通電就響，只要進行脈沖的控制，即可發出需要的聲音。

2.2.6 指示燈

提示器預留有2個LED指示燈，綠色LED指示燈作為狀態指示燈，待機時熄滅，正常時常亮，提示報警狀態時閃爍；紅色LED作為靜音指示燈，在提示報警狀態下，如果按下靜音按鍵，該指示燈將點亮，提示駕駛員目前處于靜音狀態。指示燈布置和工作原理如圖4所示。

2.2.7 座椅壓力開關

圖4 指示燈布置和工作原理

座椅壓力開關需預先敷設在駕駛員座椅內襯里，通過2根線引出。當駕駛員坐下時，人體質量的65%是由底面承擔的［7］。壓力開關的動作靈敏度選擇，需要考慮不同年齡、不同性別成員的體重。

座椅壓力開關實際上是一種薄膜型觸點傳感器，傳感器的觸點均勻分布在座椅的受力表面，當座椅受到外部壓力時閉合，產生一個觸發信號。座椅壓力開關可以根據汽車座椅的形狀、硬度和蒙料的松緊度來設計傳感器的外形及觸點的靈敏度。

圖5為座椅壓力開關的敷設效果及配套的座椅壓力開關樣品圖示，參考《汽車人機接觸界面體壓分布的實驗與評價研究》中舒適座墊的體壓分布曲線［7］設計，內置18個并聯的輕觸開關，分布在座椅中心。

圖5 座椅壓力開關的敷設效果及樣品

2.2.8 結構設計

提示器按翹板開關的尺寸設計，可直接嵌入22×44的開口槽位，實現快速安裝。外殼按底座和面板組合設計，底座考慮卡槽和兩側的彈片，要能牢固地卡入儀表板開口槽內。彈片設計為鋸齒狀，可有效卡入不同厚度的面板上。上蓋采用透明材質設計，并在正中預留一個靜音按鍵位置。為了美觀，選擇內部帶燈的輕觸開關實現靜音功能，按下按鍵，內部的燈點亮。按鍵還同時雕刻一個靜音圖案標識，燈亮時能清晰顯示。

2.2.9 軟件程序設計

低功耗設計：在檢測到ACC及ON擋信號均關閉且壓力開關檢測到駕駛員離座時，芯片通過執行WFI匯編指令進入等待模式，此時CPU停止工作，但保持外設和終端控制器繼續運行，以便快速響應外部信號的觸發［8］。

采用STM8S系列芯片，它是ST公司自行開發的STVD軟件，可進行軟件編程、在線仿真、調試。批量編程還可使用STVP軟件進行芯片擦除、編程、加密［9-10］。

軟件程序設計流程圖如圖6所示。

2.3 工作原理

1）點火鑰匙擋位檢測 通過檢測ACC擋、ON擋信號，可知點火鑰匙開關的具體擋位變化信息。

2）駕駛員離座檢測 通過檢測內置在座椅的多點壓力開關來實現。通過調整壓力開關的靈敏度，可以實現正常人坐下時開關接通，離座時斷開。

3）電氣控制 通過點火鑰匙擋位和駕駛員離座檢測，單片機進行LED燈、蜂鳴器的控制，并根據靜音鍵有效與否，控制蜂鳴器的工作。

2.4 功能說明

1）通電后，提示器處于待機狀態，狀態指示燈熄滅。

2）當駕駛員離座時，提示器的SEN信號為懸空狀態，如果點火鑰匙處于ON擋或ACC擋，提示器將延時2 s后自動啟動報警功能，狀態指示燈閃爍，同時蜂鳴器發出“嗶嗶嗶”的報警提示音。當駕駛員坐回座椅上后，SEN信號變為低電平，提示器停止聲、光報警，狀態指示燈為紅燈常亮，蜂鳴器停止報警。

3）在提示報警狀態下，如果點火鑰匙旋至OFF擋或拔出，提示器將會自動關閉聲、光報警，處于靜音狀態。也可按下提示器面板上的靜音鍵，將提示報警音臨時關閉。此時，狀態指示燈仍保持閃爍狀態，靜音鍵指示燈點亮。

圖6 軟件程序設計流程圖

3 設計參數和試驗數據

3.1 設計參數

額定電壓24 VDC，工作電壓范圍9～32 VDC，靜態電流≤5 mA，工作電流≤60 mA，工作溫度-40～85 ℃，報警聲壓（可設置）≥80 dBA（500 mm）/75 dBA（1000 mm）/70 dBA（2000 mm），高電平≥8 V，低電平≤4 V，座椅靈敏度≥35 kg動作，開孔尺寸22 mm（寬）×44 mm（高），質量≤75 g。

3.2 試驗數據

根據設計參數和要求，對樣品進行測試，結果見表2。

表2 樣品測試結果

4 結語

根據試制樣品的測試結果，可知：TX-003型提示器結構簡單，安裝方便，滿足GB/T18384.2的性能要求，對駕駛員未拔點火鑰匙離座起到有效的報警作用，避免車輛安全事故的發生。

［1］ 全國汽車標準化技術委員會.GB/T18384.2，電動汽車安全要求 第2部分：操作安全和故障防護［S］.2015.

［2］ 全國汽車標準化技術委員會.QC/T 413，汽車電器設備基本技術條件［S］.2002.

［3］ 國家標準化管理委員會.GB/T 21437.2，道路車輛 由傳導和耦合引起的電騷擾 第2部分：沿電源線的電瞬態傳導［S］.2008.

［4］ XLSEMI公司.XL1509數據手冊［Z］.

［5］ ST公司.8 and 32 bit microcontrollers Product selection guide［Z］.

［6］ ST公司.Access line，16MHz STM8S 8-bit MCU，up to 8Kbytes Flash，data EEPROM，10-bit ADC，3 timers，UART，SPI，I2C Datasheet［Z］.2016.

［7］ Branton P. Behavior， body mechaincs and discomfort［J］. Ergonomics，1969，12（2）：316-327.

［8］ ST公司.STM8S系列MCU功耗管理［Z］.

［9］ ST公司.如何開始STM8S系列單片機的開發［Z］.

［10］ ST公司.Getting started with the STM8S and STM8A［Z］.2011.

（編輯 楊 景）

Warning System Design for Driver Leaving Without Pulling Out the Key

GE Lin， CHEN Zi-ming
（AVIC Motor C0.， Ltd.， Nantong 226017， China）

This paper proposes an effective solution to reduce potential risk that happens when a driver doesn’t pull out the ignition key，which focuses on commercial passenger cars， especially pure electric buses. The warning system acts as the sound and light alarm when the driver leaves the seat with the ignition key in the gear. The alarm reminds the driver to pull out the ignition key in time to prevent accidents. In addition， it reserves a mute button to turn on the silent mode.

commercial passenger cars； ignition key； sound and light alarm； safety incident； silent mode

U463.653

A

1003-8639（2017）04-0001-04

2016-10-27；

2016-11-30

葛林（1989-），男，江蘇南通人，工程師，主要從事客車電氣系統的設計與研發工作；陳子明（1968-），男，安徽安慶人，高級工程師，主要從事新能源汽車整車電控系統的研究工作。