一種客車燃爆應(yīng)急處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃祥莉，張宣，黎金華，韋錦璐，何梓茵

（桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 前言

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，公眾出行距離變長(zhǎng)，客車、公交車等公共交通工具也早已進(jìn)入公眾視野，公共交通工具可減少交通壓力，節(jié)約出行成本，降低總體污染排放，國(guó)家政策也鼓勵(lì)低碳出行，越來(lái)越多的新能源公共出行交通工具也應(yīng)運(yùn)而生，客車、公交車等給出行帶來(lái)的好處顯而易見(jiàn)，但公共交通一旦遇到突發(fā)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(jié)構(gòu)緊湊、人員的擁擠等，會(huì)造成更大的生命、財(cái)產(chǎn)損失[1,2]。比如車輛外部撞擊、電器設(shè)備故障因素，甚至車內(nèi)人員故意縱火等都有可能引發(fā)火災(zāi)，導(dǎo)致客車燃爆事件的發(fā)生，乘員除了通過(guò)滅火器滅火、跳窗、打開(kāi)應(yīng)急閥門逃生等措施外，一套燃爆應(yīng)急處理系統(tǒng)裝置的存在，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)客車或公交車車廂內(nèi)的環(huán)境狀況，防患于未然，在發(fā)生火災(zāi)之前提前發(fā)出警報(bào)，給車上人員提供逃生的黃金時(shí)間，減少車內(nèi)乘員生命財(cái)產(chǎn)的損失，避免燃爆危及周邊車輛和人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，能為乘員爭(zhēng)取更寶貴的逃生時(shí)間[3～5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)四個(gè)信號(hào)采集傳感器（溫度、煙霧、可燃?xì)怏w、火焰），采集相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換電路對(duì)采集到的信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后，送至單片機(jī)控制器，系統(tǒng)通過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值判定客車或公交車內(nèi)可能存在火災(zāi)發(fā)生情況后，將立即啟動(dòng)聲光報(bào)警信號(hào)告知司機(jī)乘客、開(kāi)啟自動(dòng)開(kāi)天窗功能便于車內(nèi)可燃?xì)怏w或煙霧顆粒物等排出，且便于車內(nèi)乘員逃生，與此同時(shí)，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的短信信息發(fā)送相應(yīng)求救信號(hào)至相關(guān)部門或人員請(qǐng)求救援。客車燃爆應(yīng)急處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選取STC89C52 作為系統(tǒng)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(yīng)用提供了靈活、高效的解決方案。對(duì)該模塊進(jìn)行最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括電源電路，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，其中時(shí)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(fù)位電路設(shè)計(jì)包括上電復(fù)位和按鍵復(fù)位，接至RST 引腳，保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候的初始化；電源電路通過(guò)5V 電源適配器供給，電源和地分別接至單片機(jī)的VCC 引腳和VSS 引腳。

■2.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的傳感器部分，其電路能否準(zhǔn)確采集相關(guān)數(shù)據(jù)尤為重要。系統(tǒng)信號(hào)電路原理圖如圖2所示。信號(hào)采集模塊包括遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌S18B20 溫度傳感器、MQ-4 可燃?xì)怏w傳感器以及MQ-2 煙霧傳感器。其中圖2(a)為遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎商綔y(cè)760～1100nm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的火源或光源，其檢測(cè)精度可調(diào)，檢測(cè)角度達(dá)60°，電路中2 號(hào)針腳為其信號(hào)輸出端。圖2(b)為MQ-2 型煙霧感應(yīng)器設(shè)計(jì)電路圖，該型傳感器對(duì)煙霧，氫氣，甲烷，酒精等較為敏感，接觸煙氣時(shí)，煙氣將導(dǎo)致顆粒間界面的勢(shì)壘發(fā)生改變，進(jìn)而表面導(dǎo)電性能發(fā)生改變，隨著煙氣濃度的增加，其導(dǎo)電性能也隨之降低，該傳感器硬件有4 個(gè)接口，除去電源和接地外，輸出信號(hào)可為模擬量，也可為數(shù)字量，其中AO 端子為模擬輸出端，本設(shè)計(jì)選取該端口作為煙霧信號(hào)輸出端，再通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換送至單片機(jī)作為煙霧信號(hào)的輸入。圖2(c)為DS18B20 溫度傳感器電路模塊，可將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，方便快捷，測(cè)量精度較高，為±0.5℃，穩(wěn)定性較好，且該模塊內(nèi)置上拉電阻，其中圖中的2 號(hào)針腳為數(shù)字信號(hào)輸出端。圖2(d)圖為MQ-4 型氣體傳感器模塊電路，當(dāng)周圍環(huán)境存在易燃?xì)怏w時(shí)，其導(dǎo)電性能會(huì)隨之升高，可燃?xì)怏w濃度越濃，導(dǎo)電性能越好，該模塊電路有4 個(gè)針腳，除去電源和接地端，同時(shí)能輸出模擬信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，為了系統(tǒng)處理的方便性，本設(shè)計(jì)選取數(shù)字信號(hào)，即2 號(hào)引腳端作為可燃?xì)怏w的信號(hào)輸出端。

■2.3 車窗電機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用電機(jī)來(lái)模擬車窗自動(dòng)破除裝置，選取額定電壓為3～6V 的直流減速電機(jī)作為模擬裝置，該類型電機(jī)具有較好的磁芯及碳刷材質(zhì)，材料較為環(huán)保，抗干擾能力強(qiáng)，能更可靠地與控制系統(tǒng)相連接。對(duì)該類型電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3 所示，選取L9110H 作為裝置驅(qū)動(dòng)模塊，電路圖中2、3 號(hào)引腳為電源端VCC，5、8 號(hào)引腳為接地端VSS，單片機(jī)輸出信號(hào)接至6、7 號(hào)引腳IA、IB，模塊驅(qū)動(dòng)后，經(jīng)1、4 號(hào)引腳OA、OB 輸出實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

■2.4 短信模塊電路

為了進(jìn)一步保證乘員生命財(cái)產(chǎn)安全，裝置檢測(cè)出火情后將及時(shí)通過(guò)短信形式通知相關(guān)部門獲取盡快救援。選取SIM900A 作為通信模塊，在調(diào)試初期能通過(guò)USB 接口提供電源，因?yàn)閮?nèi)置的容量較大，長(zhǎng)時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)消耗大量的能量，所以直接采用1A 或更高的電流。TTL 級(jí)的串行接口可接3.3V、5V 的電壓，能與單片機(jī)直接相連，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班場(chǎng)景的遠(yuǎn)程重置，而且，在連接逆向供電的情況下，也不會(huì)損壞線路板，讓設(shè)計(jì)者更為放心，其支持短信、上網(wǎng)、彩信等功能。短信模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖4 所示，除去電源和接地，1、2 號(hào)端子分別接至控制模塊的P3.0 和P3.1 引腳，作為報(bào)警短信信號(hào)的接收和發(fā)送端。

■2.5 顯示模塊

系統(tǒng)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(shù)字、符號(hào)等，該系統(tǒng)包括：顯示資料緩沖區(qū)、字符發(fā)生器CGROM、字符發(fā)生器CGRAM。具有多種指示功能：清顯示，游標(biāo)回原點(diǎn)，顯示開(kāi)關(guān)，游標(biāo)開(kāi)關(guān)，顯示字符閃爍，游標(biāo)移動(dòng)等。采用4 比特和8比特的數(shù)據(jù)傳送模式，內(nèi)置電源自動(dòng)重置回路，可對(duì)模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定為預(yù)設(shè)工作狀態(tài)，顯示清晰，價(jià)格便宜。本系統(tǒng)用于包括實(shí)時(shí)顯示的溫度、煙霧值、溫度閾值、煙霧閾值等，通過(guò)相關(guān)按鍵模塊進(jìn)行顯示頁(yè)面的切換、閾值的調(diào)整，根據(jù)相關(guān)傳感器的安裝位置調(diào)整不同閾值，以適應(yīng)不同大小的車廂。該模塊共16 針腳，包括電源正負(fù)極，背光亮度調(diào)整端子，寄存器選擇端，讀寫信號(hào)線端，使能端以及信號(hào)輸入端。該顯示器顯示直觀，使用方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5 所示，對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，按鍵模塊用于設(shè)定煙霧、溫度等的報(bào)警閾值以及顯示界面的切換。顯示界面根據(jù)傳感器回傳數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示溫度、煙霧值等相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（可燃?xì)怏w、溫度、煙霧、火焰）與設(shè)定閾值進(jìn)行比對(duì)，任何一個(gè)數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍，則判定可能存在火災(zāi)情況，迅速輸出信號(hào)給相關(guān)執(zhí)行器，包括破除車窗、發(fā)送短信、及時(shí)報(bào)警等。

圖5 軟件處理流程圖

4 實(shí)物測(cè)試與分析

燃爆應(yīng)急處理系統(tǒng)實(shí)物如圖6 所示，系統(tǒng)上電，顯示系統(tǒng)顯示值為預(yù)設(shè)值與實(shí)際值。為測(cè)試其有效性，用打火機(jī)對(duì)其進(jìn)行火焰靠近、將煙霧靠近、溫度提升、可燃物釋放（不點(diǎn)燃火機(jī)），報(bào)警系統(tǒng)均能有效啟用，電機(jī)能夠正常運(yùn)行，短信能夠正常發(fā)送，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。圖6 中進(jìn)行的是煙霧測(cè)試，通過(guò)按鍵設(shè)定煙霧報(bào)警閾值為40，釋放煙霧之后，顯示器中顯示的煙霧值持續(xù)上升，上升至40 后（圖中顯示器顯示為44，已超過(guò)閾值），各執(zhí)行器均能夠有效運(yùn)行，如聲光報(bào)警裝置正常運(yùn)行，手機(jī)能夠接收到火情信號(hào)，預(yù)留手機(jī)收到的短信信號(hào)如圖7 所示。在實(shí)物測(cè)試中，本系統(tǒng)的四大傳感器均可以正常檢測(cè)，特別是檢測(cè)火焰信號(hào)和可燃?xì)怏w信號(hào)，系統(tǒng)從檢測(cè)到發(fā)出報(bào)警，反應(yīng)靈敏，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖7 火災(zāi)預(yù)警短信接收?qǐng)D

5 結(jié)論

本文應(yīng)用STC89C52 單片機(jī)對(duì)公共交通燃爆應(yīng)急處理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可對(duì)車廂內(nèi)相關(guān)可燃?xì)怏w、火災(zāi)情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可根據(jù)交通工具空間大小，裝置布置的位置不同，進(jìn)行相關(guān)判定火災(zāi)條件閾值設(shè)定，相關(guān)信息能夠在LCD 屏上實(shí)時(shí)顯示，乘員能夠通過(guò)屏幕了解車廂內(nèi)空氣狀況。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏或出現(xiàn)失火情況時(shí)，該系統(tǒng)能夠第一時(shí)間發(fā)出聲光警報(bào)，及時(shí)提醒乘員，可啟動(dòng)車窗破除裝置，并能夠通過(guò)GPRS 模塊，將火災(zāi)預(yù)警情況發(fā)送至相關(guān)部門請(qǐng)求救援，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該裝置在信息的采集以及執(zhí)行器動(dòng)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(cái)產(chǎn)損失。