基于單片機(jī)技術(shù)的智能車載安全氣囊釋放裝置

曹杰帥，王白俠

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，陜西 西安 710018；2.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710018）

隨著汽車普及程度的提高，以及公路網(wǎng)的建設(shè)日益健全，愈來愈多的公路橋梁遍布于鄉(xiāng)村盤山路以及陡峭不平的山坡等地段，而近年來由于山體滑坡，橋梁斷裂等因素致使車輛傾斜側(cè)翻，或者墜落橋下，山下造成人員傷亡的事故頻發(fā)。這主要是由于現(xiàn)有車輛安全氣囊的釋放主要是以車前蓋等主要部位所受到的沖擊力大小作為判斷依據(jù)，而汽車在側(cè)翻過程中著地沖擊力小，又或者墜落過程中車體傾斜以不規(guī)范角度著地，致使車體傳感器感應(yīng)沖擊力遲緩，不準(zhǔn)確，安全氣囊釋放不及時(shí)，造成了乘坐人員的傷亡事故。針對(duì)現(xiàn)有的安全氣囊臨界感應(yīng)條件不合理，釋放不及時(shí)的弊端，本文提供一種新型的汽車安全氣囊的自動(dòng)釋放裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)汽車在傾斜側(cè)翻，墜落山下或者橋下時(shí)，及時(shí)釋放安全氣囊，減少人員傷亡。

一種汽車安全氣囊的自動(dòng)釋放裝置，其設(shè)計(jì)思路是根據(jù)傾斜角度傳感器，垂直加速度傳感器對(duì)車輛所遭遇的意外情況的精確感知與信號(hào)輸出，并且通過信號(hào)預(yù)處理成為高低電平信號(hào)通過單片機(jī)的I/O引腳以及SPI通信串口傳入單片機(jī)微控制器，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換并輸出決策指令，由控制驅(qū)動(dòng)電路中的繼電器直接控制安全氣囊的釋放與否，實(shí)現(xiàn)預(yù)定保護(hù)功能。

傾斜角度傳感器：傾斜角度傳感器在裝置中作為感知車身傾斜角度大小的采樣元件，在本裝置采用的是磁敏電阻式角度傳感器，且分為側(cè)向和縱向兩個(gè)不同方位的傳感單元。該磁敏電阻式角度傳感器是利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的新型純電阻性元件，特點(diǎn)是無觸點(diǎn)，當(dāng)擺動(dòng)部分偏轉(zhuǎn)時(shí)，通過磁敏電阻的磁通量發(fā)生變化，使磁敏電阻的阻值發(fā)生數(shù)倍以上的變化，從根本上消除了電噪聲，并使精度得以提高。其中側(cè)向角度傳感單元與車軸成側(cè)向（橫向）安裝，縱向傳感單元與車軸成縱向安裝，各使用一個(gè)安裝于底盤車軸處；側(cè)向傳感單元實(shí)現(xiàn)的是車軸所在底盤平面以長(zhǎng)邊為公共邊，與水平面所夾角度的感知測(cè)量，縱向傳感單元實(shí)現(xiàn)的是車軸所在平面以短邊為公共邊與水平面所夾角度的感知測(cè)量。

傾斜角度傳感器信號(hào)預(yù)處理單元：將傾斜角度傳感器通過電位器W輸入的線性變化模擬電量進(jìn)行處理放大，并通過微控制器內(nèi)置I/O引腳輸入成為可供單片機(jī)處理的信號(hào)量。

加速度傳感器：該加速度傳感器安裝在車身垂直方向，通過該加速度傳感器可以感知車輛在與水平面垂直方向的加速度大小，并且形成電信號(hào)，由本身傳感器內(nèi)置信號(hào)處理功能直接進(jìn)行放大及模數(shù)轉(zhuǎn)化。該加速度傳感器的信號(hào)值為數(shù)字輸出，輸出端直接連接微控制器的SPI通信串口，微控制器輸入端接收的信號(hào)成為車身在垂直方向上加速度大小的可用傳感信號(hào)。本實(shí)施例中使用的是ADI公司生產(chǎn)的ADXL3451三軸加速度傳感器，該三軸加速度傳感器基于iMEMS技術(shù)，具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可變的測(cè)量范圍，最高分辨率可達(dá)13bit，標(biāo)準(zhǔn)的I2C或者SPI通信接口，32級(jí)FIFO存儲(chǔ)，內(nèi)部擁有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及靈活的中斷方式，尤其適合于感應(yīng)物體傾斜側(cè)翻以及跌倒，下墜等運(yùn)動(dòng)形式。

微控制器：通過執(zhí)行已存儲(chǔ)的核心算法，輸出決策指令是否釋放安全氣囊。算法的判斷依據(jù)主要來自三個(gè)方面：①車身側(cè)向傾斜角度應(yīng)小于等于預(yù)定值（由于向心力因素，該傾斜角度的預(yù)定值大小應(yīng)隨車輛實(shí)時(shí)速度的變化而變，成函數(shù)關(guān)系）；②車身的縱向傾斜角度應(yīng)小于等于預(yù)定值；③車身垂直方向加速度應(yīng)小于等于預(yù)定值（當(dāng)車輛發(fā)生墜落時(shí)，車身自由落體加速度應(yīng)等于標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g，但考慮到不同緯度地區(qū)重力加速度不同，所以預(yù)定值初設(shè)為0.9g，更為精確值視實(shí)際情況而設(shè)定）。通過三項(xiàng)傳感信號(hào)對(duì)車身姿態(tài)進(jìn)行判斷并作出控制指令。算法總體為邏輯“或”，即只要車身側(cè)向，縱向，垂直方向加速度三個(gè)傳感值有任一達(dá)到臨界條件，微控制器就會(huì)由初始值低電平變?yōu)檩敵龈唠娖?，從而釋放安全氣囊，否則三者均小于臨界條件則繼續(xù)輸出低電平。

本裝置微控制器選用Freescale 9S12DG128單片機(jī)，該單片機(jī)采用5V供電，具有25MHZ的總線速度，主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，特別適合用在汽車電子自動(dòng)化控制領(lǐng)域。該單片機(jī)的特點(diǎn)是豐富的I/O引腳和工業(yè)控制專用的通信模塊。能夠充分滿足單片機(jī)的輸出指令與下一模塊驅(qū)動(dòng)芯片之間的傳達(dá)。

緊急人工啟動(dòng)單元：指在車輛發(fā)生意外情況，而駕駛?cè)藛T在允許的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)能夠做出及時(shí)的避險(xiǎn)措施，直接對(duì)單片機(jī)輸入釋放安全氣囊的指令，為安全氣囊釋放爭(zhēng)取時(shí)間，緊急啟動(dòng)單元直接與單片機(jī)相連接。這體現(xiàn)了本裝置保護(hù)全面，對(duì)意外情況避險(xiǎn)措施多樣化的優(yōu)點(diǎn)。

緊急人工取消單元：指由傳感器感知，微控制器判斷車輛所處情況處于安全氣囊應(yīng)釋放范圍時(shí)，由乘坐人員自行選擇此時(shí)無需釋放安全氣囊，在單片機(jī)微控制器預(yù)留的極短默認(rèn)時(shí)間內(nèi)做出取消指令，若在默認(rèn)時(shí)間內(nèi)未接受取消指令，則釋放安全氣囊。而該單元主要作用是當(dāng)車輛為墜入水中時(shí)，若安全氣囊釋放便會(huì)為乘員逃生增加難度，通過人工取消安全氣囊釋放為乘員逃生減少障礙。緊急人工取消單元直接與單片機(jī)相連接；

安全氣囊控制釋放繼電器：繼電器與單片機(jī)的輸出端相連接，通過接收決策指令，也就是高低電平，實(shí)現(xiàn)繼電器的閉合，斷開操作，而此，安全氣囊控制釋放繼電器直接連接安全氣囊的開關(guān)，從而直接控制安全氣囊的釋放；

電源單元：本裝置電源單元選擇車載蓄電池，供給正常工作情況下所需的電能來源，電源模塊正極與單片機(jī)VCC管腳相連，負(fù)極與單片機(jī)GND管腳相連，采用穩(wěn)壓管為單片機(jī)持續(xù)提供5V穩(wěn)定電壓。

該汽車安全氣囊的自動(dòng)釋放裝置，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在車輛發(fā)生傾斜側(cè)翻時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)感知并做出判斷，及時(shí)釋放安全氣囊，保證人員安全；②在車輛發(fā)生從山路或橋梁墜落的時(shí)候，能夠?qū)崟r(shí)感知并做出判斷，及時(shí)釋放安全氣囊避免人員被壓傷或撞擊；③對(duì)車輛意外情況感知全面，設(shè)有人工手動(dòng)裝置，更加全面地保護(hù)乘員安全；④微控制器采用單片機(jī)，智能化程度高，反應(yīng)時(shí)間短，指令傳輸速度快，能更好的保護(hù)人員安全；⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易安裝，易維護(hù)，所需原件均為市場(chǎng)普及，造價(jià)低廉，裝置實(shí)用，有利于大面積推廣使用。