一種客車燃爆應急處理系統的設計

黃祥莉，張宣，黎金華，韋錦璐，何梓茵

（桂林航天工業學院 汽車工程學院，廣西桂林，541004）

0 前言

隨著社會不斷發展，公眾出行距離變長，客車、公交車等公共交通工具也早已進入公眾視野，公共交通工具可減少交通壓力，節約出行成本，降低總體污染排放，國家政策也鼓勵低碳出行，越來越多的新能源公共出行交通工具也應運而生，客車、公交車等給出行帶來的好處顯而易見，但公共交通一旦遇到突發事件，由于城市公交車大多行駛在城市主干道，汽車車流量大，并且車廂的結構緊湊、人員的擁擠等，會造成更大的生命、財產損失[1,2]。比如車輛外部撞擊、電器設備故障因素，甚至車內人員故意縱火等都有可能引發火災，導致客車燃爆事件的發生，乘員除了通過滅火器滅火、跳窗、打開應急閥門逃生等措施外，一套燃爆應急處理系統裝置的存在，能夠實時檢測客車或公交車車廂內的環境狀況，防患于未然，在發生火災之前提前發出警報，給車上人員提供逃生的黃金時間，減少車內乘員生命財產的損失，避免燃爆危及周邊車輛和人員的生命財產安全，能為乘員爭取更寶貴的逃生時間[3～5]。

1 系統設計方案

本系統設計通過四個信號采集傳感器（溫度、煙霧、可燃氣體、火焰），采集相關數據后，經過A/D 轉換電路對采集到的信息進行模數轉換處理后，送至單片機控制器，系統通過預先設定的閾值判定客車或公交車內可能存在火災發生情況后，將立即啟動聲光報警信號告知司機乘客、開啟自動開天窗功能便于車內可燃氣體或煙霧顆粒物等排出，且便于車內乘員逃生，與此同時，通過預先設置的短信信息發送相應求救信號至相關部門或人員請求救援。客車燃爆應急處理系統設計方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統設計框圖

2 硬件電路設計

■2.1 單片機最小系統設計

系統選取STC89C52 作為系統控制主控模塊，STC89C52是STC 公司研制的低功耗高性能CMOS8 位微控制器，STC89C52 是一種低電壓的高性能COMOS8 芯片，該控制芯片采用了靈活的8 位CPU 和可編程的Flash，為眾多的嵌入式應用提供了靈活、高效的解決方案。對該模塊進行最小系統設計，包括電源電路，時鐘電路和復位電路，其中時鐘電路于xtal1 和xtal2 引腳接30pF 電容及頻率為11.0592MHz 晶振，形成自激振蕩器；復位電路設計包括上電復位和按鍵復位，接至RST 引腳，保證系統運行時候的初始化；電源電路通過5V 電源適配器供給，電源和地分別接至單片機的VCC 引腳和VSS 引腳。

■2.2 信號采集模塊

信號采集模塊作為整個系統的傳感器部分，其電路能否準確采集相關數據尤為重要。系統信號電路原理圖如圖2所示。信號采集模塊包括遠紅外火焰傳感器、DS18B20 溫度傳感器、MQ-4 可燃氣體傳感器以及MQ-2 煙霧傳感器。其中圖2(a)為遠紅外火焰傳感器，可探測760～1100nm 的波長范圍內的火源或光源，其檢測精度可調，檢測角度達60°，電路中2 號針腳為其信號輸出端。圖2(b)為MQ-2 型煙霧感應器設計電路圖，該型傳感器對煙霧，氫氣，甲烷，酒精等較為敏感，接觸煙氣時，煙氣將導致顆粒間界面的勢壘發生改變，進而表面導電性能發生改變，隨著煙氣濃度的增加，其導電性能也隨之降低，該傳感器硬件有4 個接口，除去電源和接地外，輸出信號可為模擬量，也可為數字量，其中AO 端子為模擬輸出端，本設計選取該端口作為煙霧信號輸出端，再通過AD 轉換器將信號轉換送至單片機作為煙霧信號的輸入。圖2(c)為DS18B20 溫度傳感器電路模塊，可將溫度信號直接轉為數字信號，方便快捷，測量精度較高，為±0.5℃，穩定性較好，且該模塊內置上拉電阻，其中圖中的2 號針腳為數字信號輸出端。圖2(d)圖為MQ-4 型氣體傳感器模塊電路，當周圍環境存在易燃氣體時，其導電性能會隨之升高，可燃氣體濃度越濃，導電性能越好，該模塊電路有4 個針腳，除去電源和接地端，同時能輸出模擬信號和數字量信號，為了系統處理的方便性，本設計選取數字信號，即2 號引腳端作為可燃氣體的信號輸出端。

■2.3 車窗電機模塊電路設計

本設計采用電機來模擬車窗自動破除裝置，選取額定電壓為3～6V 的直流減速電機作為模擬裝置，該類型電機具有較好的磁芯及碳刷材質，材料較為環保，抗干擾能力強，能更可靠地與控制系統相連接。對該類型電機驅動電路進行設計，其電機驅動電路圖如圖3 所示，選取L9110H 作為裝置驅動模塊，電路圖中2、3 號引腳為電源端VCC，5、8 號引腳為接地端VSS，單片機輸出信號接至6、7 號引腳IA、IB，模塊驅動后，經1、4 號引腳OA、OB 輸出實現電機驅動運行。

圖3 電機驅動電路設計圖

■2.4 短信模塊電路

為了進一步保證乘員生命財產安全，裝置檢測出火情后將及時通過短信形式通知相關部門獲取盡快救援。選取SIM900A 作為通信模塊，在調試初期能通過USB 接口提供電源，因為內置的容量較大，長時間傳輸的數據會消耗大量的能量，所以直接采用1A 或更高的電流。TTL 級的串行接口可接3.3V、5V 的電壓，能與單片機直接相連，實現無人值班場景的遠程重置，而且，在連接逆向供電的情況下，也不會損壞線路板，讓設計者更為放心，其支持短信、上網、彩信等功能。短信模塊電路設計圖如圖4 所示，除去電源和接地，1、2 號端子分別接至控制模塊的P3.0 和P3.1 引腳，作為報警短信信號的接收和發送端。

■2.5 顯示模塊

系統選取液晶顯示模塊LCD1602A 作為信息顯示模塊，該模塊一般用于顯示字母、數字、符號等，該系統包括：顯示資料緩沖區、字符發生器CGROM、字符發生器CGRAM。具有多種指示功能：清顯示，游標回原點，顯示開關，游標開關，顯示字符閃爍，游標移動等。采用4 比特和8比特的數據傳送模式，內置電源自動重置回路，可對模塊進行初始化，設定為預設工作狀態，顯示清晰，價格便宜。本系統用于包括實時顯示的溫度、煙霧值、溫度閾值、煙霧閾值等，通過相關按鍵模塊進行顯示頁面的切換、閾值的調整，根據相關傳感器的安裝位置調整不同閾值，以適應不同大小的車廂。該模塊共16 針腳，包括電源正負極，背光亮度調整端子，寄存器選擇端，讀寫信號線端，使能端以及信號輸入端。該顯示器顯示直觀，使用方便。

3 軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖5 所示，對各模塊進行初始化，按鍵模塊用于設定煙霧、溫度等的報警閾值以及顯示界面的切換。顯示界面根據傳感器回傳數據，實時顯示溫度、煙霧值等相關參數，系統對實時數據（可燃氣體、溫度、煙霧、火焰）與設定閾值進行比對，任何一個數據超出設定范圍，則判定可能存在火災情況，迅速輸出信號給相關執行器，包括破除車窗、發送短信、及時報警等。

圖5 軟件處理流程圖

4 實物測試與分析

燃爆應急處理系統實物如圖6 所示，系統上電，顯示系統顯示值為預設值與實際值。為測試其有效性，用打火機對其進行火焰靠近、將煙霧靠近、溫度提升、可燃物釋放（不點燃火機），報警系統均能有效啟用，電機能夠正常運行，短信能夠正常發送，證明了系統設計的有效性。圖6 中進行的是煙霧測試，通過按鍵設定煙霧報警閾值為40，釋放煙霧之后，顯示器中顯示的煙霧值持續上升，上升至40 后（圖中顯示器顯示為44，已超過閾值），各執行器均能夠有效運行，如聲光報警裝置正常運行，手機能夠接收到火情信號，預留手機收到的短信信號如圖7 所示。在實物測試中，本系統的四大傳感器均可以正常檢測，特別是檢測火焰信號和可燃氣體信號，系統從檢測到發出報警，反應靈敏，符合設計要求。

圖6 系統實物圖

圖7 火災預警短信接收圖

5 結論

本文應用STC89C52 單片機對公共交通燃爆應急處理系統進行了設計，該設計可對車廂內相關可燃氣體、火災情況等進行實時監測，可根據交通工具空間大小，裝置布置的位置不同，進行相關判定火災條件閾值設定，相關信息能夠在LCD 屏上實時顯示，乘員能夠通過屏幕了解車廂內空氣狀況。當燃氣發生泄漏或出現失火情況時，該系統能夠第一時間發出聲光警報，及時提醒乘員，可啟動車窗破除裝置，并能夠通過GPRS 模塊，將火災預警情況發送至相關部門請求救援，通過實驗證明，該裝置在信息的采集以及執行器動作的有效性、靈敏性，在一定程度上能夠有效減少駕駛員及乘員的生命財產損失。