摘 要： 為了保證駕乘人員行車時的安全,，提出了一種基于單片機(jī)的可自動系解的智能安全帶的設(shè)計和實現(xiàn)方案,。該裝置以單片機(jī)AT89S52為控制核心，通過傳感器檢測和按鍵控制,，利用L298N來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止,，實現(xiàn)安全帶的收緊、鎖定,、解除等動作,。另外,，抽拉式安全帶采用預(yù)收緊和拉力限制裝置,，以及微碰開關(guān)，可實現(xiàn)及時收緊,、適度放松和防過卷等功能,。
關(guān)鍵詞： AT89S52; 安全帶; 自動鎖定; 步進(jìn)電機(jī)
0 引言
現(xiàn)今，機(jī)動車的數(shù)量越來越多,，安全帶是司機(jī)在車輛駕駛過程中的生命保障,，被給予的重視也越來越多。由于一些司機(jī)不好的習(xí)慣,，不主動系安全帶,，在突發(fā)交通事故時將導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果[1],。統(tǒng)計表明，不系安全帶是造成道路交通死亡事故的第三大原因,，僅次于超速行駛和酒后駕駛,。因此，研究設(shè)計一種可以自動為司機(jī)上鎖的安全帶,，降低交通事故對司機(jī)造成的傷害,，有著非常大的實用意義。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，單片機(jī)以其體積小,、功能強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)在現(xiàn)實生活中廣泛應(yīng)用[2],。本著實用,、可靠、安全,、簡潔及經(jīng)濟(jì)等原則,，設(shè)計開發(fā)了基于單片機(jī)的智能控制安全帶系解裝置[3]，當(dāng)機(jī)動車一開始點(diǎn)火時給駕乘人員自動系上安全帶,；當(dāng)要解開時,，只要熄火或按下按鈕即可。
三點(diǎn)式安全帶在時速50 km/h的碰撞中,，獲救率達(dá)50%[4],。此外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的巧妙設(shè)計,，利用電機(jī)的牽引作用[5]使得安全帶自動完成上鎖,，這也使得自動安全帶更具有合理性和普遍適用性，可以在很多機(jī)動車輛中推廣使用,，不受車型的限制,，有很廣闊的市場前景。
1 系統(tǒng)設(shè)計原理及其總體方案
機(jī)動車智能安全帶系統(tǒng)的設(shè)計需具體實現(xiàn)以下功能原理：插鑰匙上電,，即當(dāng)機(jī)動車一開始點(diǎn)火時本裝置的傳感器工作,，安全帶鎖舌通過掛銷在電機(jī)牽引下，沿著設(shè)計的軌道,，與鎖扣契和,，無需駕乘人員動手即可自動幫駕乘人員系上安全帶，當(dāng)要解開時,，只要熄火或一按按鈕即可,；通過滑道兩端的微碰開關(guān)，實現(xiàn)防過卷,；利用直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)安全帶鎖定和解除的控制,。
1.1 系統(tǒng)總體方案
基于單片機(jī)的機(jī)動車智能型安全帶的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
其中，以單片機(jī)AT89S52為控制核心,，通過單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的信號給驅(qū)動模塊,，采用L298N芯片控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止，從而控制安全帶的收緊,、鎖定,、解除等動作；控制按鍵1和2分別產(chǎn)生控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的信號給單片機(jī),；采用微碰開關(guān)實現(xiàn)起點(diǎn),、終點(diǎn)電機(jī)自動停止來防止安全帶的過卷；5 V穩(wěn)壓模塊與單片機(jī)相連接,，可為控制系統(tǒng)提供電源,；紅外接近傳感器和熱釋電傳感器檢測到有人時則產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號給單片機(jī)，安全帶啟動,。
1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)
本裝置最重要的元件是單片機(jī)控制中心AT89S52,，它是ATMEL所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flsah存儲器,。S系列的是能用下載線進(jìn)行在線編程的ISP，使用簡單的HC244電路,，就可以通過電腦上面的程序來對單片機(jī)進(jìn)行編程,，無須拆下來放到笨重的編程器上面寫片子。
單片機(jī)外圍線路主要包括時鐘電路,、復(fù)位電路和按鍵電路,。
1.3 紅外接近傳感器
紅外接近傳感器的工作原理是利用傳感器的紅外發(fā)射頭對外發(fā)射一定頻率的紅外線。由于前方物體的阻擋而導(dǎo)致紅外線的反射,，通過其中間的時間差進(jìn)而可以求出前方物體的距離[6],。
結(jié)合應(yīng)用的具體需要，本系統(tǒng)采用E18-80NK紅外接近傳感器,，檢測到目標(biāo)時是低電平輸出,，正常狀態(tài)是高電平輸出。此紅外開關(guān)傳感器是一種集發(fā)射和接收為一體的反射式光電傳感器,，該傳感器具有探測距離遠(yuǎn),、可調(diào)節(jié)測量范圍,、不用外加調(diào)制信號,、受可見光干擾小、價格便宜,、易于裝配,、使用方便等特點(diǎn),。
1.4 熱釋電傳感器
熱釋電傳感器HC-SR501根據(jù)菲涅耳原理制成，全自動感應(yīng),，當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍時輸出高電平,，人離開感應(yīng)范圍時自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平,。傳感器的各項參數(shù)表明此傳感器可以方便與各類電路實現(xiàn)對接,，適用于本系統(tǒng)。
如圖2所示為熱釋電傳感器外接圖,，1和3分別接電源正負(fù)極,，2可接單片機(jī)。
1.5 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件,，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中,。它可以直接接受數(shù)字信號，不需要進(jìn)行數(shù)字與模擬量的轉(zhuǎn)換,，具有高精度快速啟停能力,。步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路,，將直流電變成分時供電的,、多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電,，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作,，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的多相時序控制器。
此系統(tǒng)選用兩相四線制步進(jìn)電機(jī),，由兩組線圈構(gòu)成,，其中，紅綠為一組,，紅藍(lán)為一組,。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移來控制，改變相序可以改變轉(zhuǎn)向,，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn),；調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
1.6 電機(jī)控制模塊
電機(jī)控制是通過L298N來控制的,。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)都由L298N的不同輸出來控制[7],。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N,，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路,。可以方便地驅(qū)動一個兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N與步進(jìn)電機(jī)連接示意圖如圖3所示,。
表 1 是 L298N 邏輯功能表,。由表 1 可知 EnA(B) 為低電平時，輸入電平對電機(jī)控制不起作用,；當(dāng) EnA(B) 為高電平時,，In1、In2(In3,，In4)輸入電平為一高一低,，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；In1,、In2(In3,，In4)同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)快速停止,。
1.7 防過卷模塊
微碰開關(guān)是一種尺寸很小而又非常靈敏的彈簧引動的磁吸附式行程開關(guān),。它具有微小接點(diǎn)間隔和快動機(jī)構(gòu)，用規(guī)定的行程和規(guī)定的力實現(xiàn)開關(guān)動作的接點(diǎn)機(jī)構(gòu),，用外殼覆蓋,，其外部有驅(qū)動桿。
因該設(shè)計的智能安全帶是通過電機(jī)帶動的,，所以這里需要放置兩個微碰開關(guān)在安全帶滑道前端和末端,，用于檢測安全帶的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)安全帶運(yùn)行到起點(diǎn)或終點(diǎn)時,，能夠自動發(fā)送信號關(guān)閉電機(jī),，從而防止電機(jī)由于長時間通電而損壞[8]。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
本系統(tǒng)使用的抽拉式安全帶系統(tǒng)采用與常規(guī)安全帶[9]對稱的安裝方式,，即司機(jī)座位的右上方,、右下方和左下方，通過固定右端,，改變左邊安全帶的位置實現(xiàn)安全帶的上鎖解鎖功能,。這樣既能做到了不妨礙車輛的美觀，又不妨礙司機(jī)的上下車,，同時又能完成既定的自動上鎖功能,。
2.1 抽拉式安全帶簡介
抽拉式安全帶都設(shè)有預(yù)收緊裝置和拉力限制器。當(dāng)事故發(fā)生時,，理想的安全帶作用過程是：首先,，及時收緊，在事故發(fā)生的第一時刻毫不猶豫地把人“按”在座椅上,；然后,，適度放松,，待沖擊力峰值過去，或人已能受到氣囊的保護(hù)時,，即適當(dāng)放松安全帶,，避免因拉力過大而使人肋骨受傷,。
2.1.1 預(yù)收緊裝置
預(yù)收緊裝置負(fù)責(zé)提供瞬間繃緊的安全帶,，目的是防止乘員身體前沖與方向盤、儀表板等發(fā)生碰撞而造成傷害,，從感知事故到完成安全帶預(yù)收緊的全過程僅持續(xù)千分之幾秒[10],。其作用過程是：首先由一個探頭負(fù)責(zé)收集撞車信息，然后釋放出電脈沖,，該脈沖傳遞到氣體發(fā)生器上,，引爆氣體。爆炸產(chǎn)生的氣體壓力使球動,，球帶動棘爪盤轉(zhuǎn),，棘爪盤帶動軸轉(zhuǎn)，瞬間實現(xiàn)安全帶的預(yù)收緊功能,。棘爪盤與軸連為一體,，安全帶就繞在軸上。
2.1.2 拉力限制器
事故發(fā)生后,，安全帶在預(yù)收緊裝置的作用下,，已經(jīng)繃緊了。但希望在受力峰值過去后,，安全帶的張緊力度馬上降低,，以減小乘員受力，這項功能就由安全帶拉力限制器來完成：卷繞著安全帶的軸芯里邊是一根鋼質(zhì)扭轉(zhuǎn)棒,，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到預(yù)定情況時,，扭轉(zhuǎn)棒開始扭曲，這樣就在一定程度上放松了安全帶,，實現(xiàn)了安全帶的拉力限制功能,。
在安全帶預(yù)收緊裝置和拉力限制器的共同作用下，可以配合安全氣囊瞬間完成緊,、松,、緊三個動作，緩解胸腔壓力,，有效保護(hù)駕乘人員的胸部,，保護(hù)能力幾乎達(dá)到了理想狀態(tài)，可降低交通事故對司機(jī)造成的傷害程度,。
2.2 車載安全帶滑道設(shè)計介紹
滑道需安裝于車頂貼近車門的邊緣,，前端長度以使安全帶稍高于方向盤的高度為宜，滑道末端需要到達(dá)傳統(tǒng)安全帶固定處?；赖牟牧线x擇了便于彎折,、裁剪和固定的復(fù)合材料，滑道中間的彎折角度及固定點(diǎn)可以根據(jù)需要自行調(diào)整,，有較強(qiáng)的適用性,。
如圖4所示，在滑道上安裝一個滑塊,，由電機(jī)驅(qū)動,，牽引安全帶沿滑道運(yùn)動?；滥┒诵璋惭b一個電子鎖扣裝置,，在檢測到安全帶滑動到末端時會自動鎖死安全帶。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
如圖5所示為系統(tǒng)軟件功能流程圖,。單片機(jī)上電后對電機(jī)驅(qū)動程序進(jìn)行初始化,，然后檢測安全帶是否位于初始位置，如果位于初始位置,，則開始自動執(zhí)行滑動并鎖扣安全帶的動作,；如果不在初始位置，則先將安全帶牽引至初始位置,。進(jìn)一步判斷座位上是否有人,，如果有人，則牽引安全帶滑動,，并掃描按鍵,，到達(dá)終點(diǎn)時，鎖定安全帶,；如果沒有人則不斷檢測傳感器狀態(tài),，并進(jìn)行按鍵掃描。
4 結(jié)論
本系統(tǒng)以司機(jī)座位為例,，對安全帶自動上鎖過程進(jìn)行了詳盡分析,，經(jīng)過多次軟硬件綜合測試，系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的功能,，通過傳感器對各種情況進(jìn)行不同返回值的判斷,，將安全帶鎖舌掛銷在電機(jī)牽引下，沿著設(shè)計的軌道與鎖扣契和,，實現(xiàn)對乘車人員的自動上鎖動能,；當(dāng)要解開時，只要熄火或一按按鈕即可,。
在機(jī)動車輛日益增多的今天,，本設(shè)計可解決行車時駕乘人員不按規(guī)定使用安全帶的問題,，降低交通事故對司機(jī)造成的傷害，有非常大的現(xiàn)實意義和實用價值,。
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