純電動(dòng)客車動(dòng)力電池艙火災(zāi)多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏平剛　冒興峰　曾惠娜　管豪斌　楊果

摘 要：汽車動(dòng)力電池火災(zāi)事故因其燃燒速度快，燃燒猛烈、蔓延面積大等特點(diǎn)，易造成施救困難，引起較大人身傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。本文針對(duì)純電動(dòng)客車，旨在研究、設(shè)計(jì)出一款動(dòng)力電池艙火災(zāi)多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集火災(zāi)特征信號(hào)，根據(jù)識(shí)別到的火情級(jí)別不同，觸發(fā)相應(yīng)預(yù)警。本文從分析系統(tǒng)的功能需求出發(fā)，分別從總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)三方面具體展開，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將對(duì)保障駕乘人員生命及財(cái)產(chǎn)安全起到積極作用。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)客車 動(dòng)力電池 火災(zāi) 預(yù)警 單片機(jī)

Design of Multi-level Fire Early Warning System for Power Battery Compartment of Electric Bus

Yan Pinggang Mao Xingfeng Zeng Huina Guan Haobin Yang Guo

Abstract：Due to the characteristics of fast burning speed， violent burning， and large spreading area， automobile power battery fire accidents are likely to cause difficulty in rescue and cause great personal injuries and property losses. This article aims to study and design a multi-level fire early warning system for power battery compartment of electric bus， which collects fire characteristic signals in real time， and triggers corresponding early warnings based on the different levels of fire identified. This article starts from the analysis of the functional requirements of the system， and specifically expands from three aspects： overall scheme design， system hardware design and software design. The designed system will play a positive role in protecting the lives and property safety of drivers and passengers.

Key words：electric bus， power battery， fire， early warning， single chip

近年來，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，技術(shù)不斷進(jìn)步，新能源汽車迅速普及。純電動(dòng)客車因其在環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢(shì)，正日益成為城市客車的主流。目前，國內(nèi)部分城市的公共交通系統(tǒng)中，純電動(dòng)客車比例已經(jīng)超過80%。與此同時(shí)，由于使用、環(huán)境及電池本身結(jié)構(gòu)、材料等問題，由純電動(dòng)客車動(dòng)力電池引發(fā)的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，易造成較大的人民生命、財(cái)產(chǎn)損失。設(shè)計(jì)一款針對(duì)純電動(dòng)客車動(dòng)力電池艙火災(zāi)的多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)火情及時(shí)發(fā)出警示，是非常必要的。

1 系統(tǒng)功能分析

本設(shè)計(jì)針對(duì)純電動(dòng)客車動(dòng)力電池艙火災(zāi)隱患進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集動(dòng)力電池艙內(nèi)與火災(zāi)有關(guān)的物理或化學(xué)參數(shù)，由系統(tǒng)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，達(dá)到閾值時(shí)，觸發(fā)多級(jí)預(yù)警。

1.1 火災(zāi)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)功能

檢測(cè)動(dòng)力電池艙內(nèi)與火情相關(guān)參數(shù)，如溫度、煙霧和亮光，實(shí)現(xiàn)火情的探測(cè)功能。

1.2 多級(jí)預(yù)警功能

針對(duì)不同火情等級(jí)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)預(yù)警功能。0級(jí)時(shí)，動(dòng)力電池艙內(nèi)正常狀態(tài)，運(yùn)行指示亮起;1級(jí)時(shí)，某一傳感器檢測(cè)信號(hào)超過閾值，則對(duì)應(yīng)的預(yù)警燈亮起;2級(jí)時(shí)，某兩個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)超過閾值，對(duì)應(yīng)預(yù)警燈亮起，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警;3級(jí)時(shí)，三個(gè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)均超過閾值，三個(gè)預(yù)警燈同時(shí)亮起，并伴隨蜂鳴器報(bào)警。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 方案概況

本系統(tǒng)主要由傳感器、控制模塊及執(zhí)行元件三部分組成。傳感器包含溫度傳感器、煙霧傳感器及光傳感器?？刂茊卧褂脝纹瑱C(jī)進(jìn)行開發(fā)。執(zhí)行元件包含預(yù)警燈及蜂鳴器。傳感器采集的信號(hào)，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換后傳送至單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過對(duì)比相應(yīng)閾值，輸出控制指令，觸發(fā)預(yù)警燈及蜂鳴器工作。

在本設(shè)計(jì)中，溫度傳感器、煙霧傳感器以及光傳感器均安裝于動(dòng)力電池艙內(nèi)。為減少汽車運(yùn)行過程中振動(dòng)對(duì)傳感器及控制模塊工作帶來的不利影響，本設(shè)計(jì)中元件的選擇以及固定支架的設(shè)計(jì)均考慮震動(dòng)因素。為便于提醒車輛駕乘人員，預(yù)警燈及蜂鳴器安裝于車內(nèi)中控臺(tái)處。

2.2 元器件的選型

（1）單片機(jī)的選型

本系統(tǒng)需要選用一控制單元。該單元應(yīng)具有工作可靠、反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)。結(jié)合選型要求，選用AT89C52單片機(jī)。該單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，低電壓、高性能，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，可擦寫Flash空間及RAM空間大小均可滿足本系統(tǒng)要求。

（2）溫度傳感器的選型

動(dòng)力電池發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫，因此，可選用一個(gè)溫度傳感器來檢測(cè)動(dòng)力電池艙內(nèi)的溫度情況。要求該傳感器的檢測(cè)范圍應(yīng)能覆蓋動(dòng)力電池艙內(nèi)的正常與異常溫度，并具有測(cè)量速度快、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。結(jié)合選型要求，確定在本設(shè)計(jì)中選用DS18B20溫度傳感器。該傳感器為數(shù)字型，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（3）煙霧傳感器的選型

動(dòng)力電池發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，因此，可選用一個(gè)煙霧傳感器來檢測(cè)動(dòng)力電池艙內(nèi)是否有燃燒煙霧存在。該傳感器應(yīng)具有測(cè)量迅速、精度高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好的特點(diǎn)。結(jié)合選型的要求，確定在本設(shè)計(jì)中選用MQ-2煙霧傳感器。該傳感器可對(duì)環(huán)境中煙霧、液化氣等進(jìn)行探測(cè)，檢測(cè)范圍為100～10000ppm，具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。

（4）光傳感器的選型

動(dòng)力電池發(fā)生火災(zāi)時(shí)，會(huì)伴隨產(chǎn)生亮光，而在車輛運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力電池艙內(nèi)亮度基本無明顯變化。因此，可選用一個(gè)光傳感器來檢測(cè)動(dòng)力電池艙內(nèi)是否有燃燒亮光的產(chǎn)生。要求選用的傳感器具有反應(yīng)靈敏、精度高、可靠性好的特點(diǎn)。結(jié)合選型要求，確定選用LXD25528光敏電阻。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)出現(xiàn)可見光，光強(qiáng)變高，光敏電阻阻值變低。

（5）A/D轉(zhuǎn)換器的選型

本設(shè)計(jì)為了滿足模擬量信號(hào)的高精度采集，采用MCP3204進(jìn)行模擬量電壓信號(hào)的采集與A/D轉(zhuǎn)換。該芯片寬電壓設(shè)計(jì)，通信接口類型為SPI，最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps。芯片性能上滿足本系統(tǒng)的要求。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指在芯片的外部連接電源、時(shí)鐘以及復(fù)位等，構(gòu)成一個(gè)基本的應(yīng)用系統(tǒng)。如圖1所示為本文所設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)，具體包含單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路等。

（1）復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

復(fù)位電路的功能相當(dāng)于進(jìn)行系統(tǒng)的初始化操作。系統(tǒng)通電后，在執(zhí)行操作之前，必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。該操作的目的是將系統(tǒng)內(nèi)的CPU及其他相關(guān)組件設(shè)置為初始工作狀態(tài)，使得系統(tǒng)在這個(gè)初始狀態(tài)下開始工作。如圖1中所示，本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位的方式，電路中RST腳連接至單片機(jī)的RST腳。當(dāng)復(fù)位開關(guān)SW1接通后，單片機(jī)開始執(zhí)行復(fù)位操作。

（2）時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的正常運(yùn)行需要一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖。時(shí)鐘脈沖的序列信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部時(shí)序電路控制器發(fā)出。如圖1中所示，左下角部分為本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路圖，連接至單片機(jī)的振蕩器輸入輸出端口，單片機(jī)中XTAL1為輸入端，XTAL2為輸出端。

（3）電源電路設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)在任何時(shí)刻都有穩(wěn)定的工作電源，該系統(tǒng)采用獨(dú)立蓄電池供電，工作電壓在12V左右。為了使該系統(tǒng)能在此電源電壓下正常工作，需設(shè)計(jì)一個(gè)電源電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。如圖2所示，該電源電路中利用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805將蓄電池12V電壓降為5V的輸出電壓。

3.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

（1）溫度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器作為溫度檢測(cè)元件，其輸出信號(hào)為為數(shù)字式，單片機(jī)可直接識(shí)別。如圖3所示，該傳感器通過VCC直接供電，信號(hào)經(jīng)I/O輸出，連接至單片機(jī)TEMP1（P2.0）腳。

（2）煙霧檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，本系統(tǒng)所采用的MQ-2型煙霧傳感器共有6個(gè)引腳，其中1、4腳為加熱電阻，其余4個(gè)引腳分別為2個(gè)輸入引腳（5、6腳）和2個(gè)輸出引腳（2、3腳）。該傳感器需要同時(shí)給加熱電阻值施加加熱電壓Vh和測(cè)試電壓Vc，二者所需電壓相同，一起連接至VCC。因煙霧傳感器信號(hào)較弱，需要通過一信號(hào)放大電路，將信號(hào)傳送至A/D轉(zhuǎn)換器的AD1（CH0）。

（3）光檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中光強(qiáng)檢測(cè)所選用的LXD25528光敏電阻，輸出方式為模擬量。如圖5所示，電路中使用一個(gè)10kΩ電阻與LXD25528串聯(lián)，電路輸出模擬量信號(hào)至A/D轉(zhuǎn)換器的AD2（CH1）。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

如圖6所示為A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，其中，VDD為電源，VREF為參考電壓輸入，CH0—CH3為模擬信號(hào)輸入，DGND及AGND為接地，CLK為串行時(shí)鐘，Dout為串行數(shù)據(jù)輸出，Din為串行數(shù)據(jù)輸入，CS/SHDN為片選/關(guān)斷輸入。圖中，CH0和CH1端腳分別接收來自煙霧檢測(cè)模塊電路和光檢測(cè)模塊電路的模擬信號(hào)輸入，信號(hào)輸出與單片機(jī)對(duì)應(yīng)端腳相連。

3.4 執(zhí)行元件電路設(shè)計(jì)

如圖7分別為燈光預(yù)警電路與聲預(yù)警電路。四個(gè)LED燈的定義為：D1運(yùn)行指示，D2溫度預(yù)警燈，D3煙霧預(yù)警燈，D4光強(qiáng)預(yù)警燈。LED與單片機(jī)的I/O口相連，依次連接至P2.1、P2.2、P2.3、P2.4相連，本設(shè)計(jì)中低電平有效。聲報(bào)警電路的蜂鳴器電路與單片機(jī)的P1.1口相連。當(dāng)觸發(fā)報(bào)警時(shí)，由單片機(jī)控制蜂鳴器LS1發(fā)聲。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序的流程設(shè)計(jì)為：首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，之后通過DS18B20、MQ-2及LXD25528采集溫度、煙霧及光強(qiáng)信號(hào)，模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)傳至單片機(jī)。有單片機(jī)將三者信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定閾值進(jìn)行比較，超過設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警模塊工作;當(dāng)未超過設(shè)定值時(shí)，LED顯示正常，并恢復(fù)到信息采集階段繼續(xù)工作。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)一款純電動(dòng)客車動(dòng)力電池艙火災(zāi)多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)純電動(dòng)客車運(yùn)行過程中動(dòng)力電池艙內(nèi)溫度、煙霧及光強(qiáng)的實(shí)時(shí)感知，有效提高了運(yùn)輸過程的安全性。

課題來源：2020年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《新能源汽車火災(zāi)預(yù)警及自動(dòng)滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，編號(hào)202012056009Z。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鵬，劉穎.基于汽車構(gòu)造的汽車火災(zāi)事故原因分析[J].時(shí)代汽車，2020（02）：7-8.

[2]田龍禎，謝春麗，王昊潔.電動(dòng)汽車電池火災(zāi)預(yù)警報(bào)警及自動(dòng)滅火裝置設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（11）：155-156.

[3]丁傳記.純電動(dòng)客車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2016，38（05）：52-54.