加速度传感车祸检测系统研究与设计

2013-03-16李思霖张自强包恺俊

机电信息 2013年9期

李思霖张自强包恺俊

（上海师范大学，上海201400）

1 设计背景及意义

随着我国经济的飞速发展，全民生活质量有了很大改观，安全意识也逐步提高，尤其是在汽车安全领域，随着汽车行驶速度的不断提高，行驶安全性和各种安全措施日益受到人们的关注。安全气囊、汽车防抱死系统等安全措施的广泛应用，对降低汽车碰撞率及制动时事故率有显著的效果。碰撞事故却一直是汽车重要的安全问题之一，美国公路安全局的统计表明，在所有交通事故中，汽车碰撞事故居第一位。据专家统计，67%的交通死亡事故是由车祸造成的。因此，汽车安全问题日益受到社会的关注，提高汽车安全性能也成为众厂商博弈商场的杀手锏。基于以上原因，及时检测车祸的发生有着重要的意义。

2 系统方案

2．1 方案实现方法

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel 8031单片机，后来随着Flash ROM技术的发展，8031单片机取得了长足的进步，成为目前应用最为广泛的8位单片机之一。本系统采用STC12C5A60S2型单片机作为系统核心控制单元。此款单片机是宏晶科技公司生产的高速度、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，但速度快8～12倍。此款单片机操作方便，需要的外围电路相对比较简单，可利用2302串口通信芯片通过USB接口直接与上位机完成通信，并可通过USB接口下载程序到单片机，完全满足本系统运动控制的要求。利用A／D采集加速度传感器MMA7260的值监测小车运行状态，一旦判断是发生车祸，系统将会控制安全气囊弹出，并且通过蜂鸣器和闪烁的LCD发出信号吸引其他人员的注意力，实现报警功能。

2．2 方案论证

2．2．1 控制器模块

方案1：采用STC12C5 A60S2单片机。51单片机价格便宜，应用广泛，开发周期短、难度低，内部集成了8路高速10位A／D转换器，足够系统使用。方案2：采用PHILIPS公司的ARM芯片LPC2131。LPC2131的工作速度快，I／O资源丰富，并集成PWM控制。芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度，但是开发难度稍大。根据系统要求，我们选用方案1中的STC12C5 A60S2作为主控制器。

2．2．2 电机模块

方案1：采用步进电机控制小车的运动，能实现小车的精确控制，较好地达到小车及时停车的目的，但是转动速度较慢。方案2：采用直流减速电机控制小车的运动，控制起来相对不够精确，但直流减速电机力矩大，转动速度快。按照设计要求，小车需要快速运动，因此我们选用方案2。

2．2．3 显示模块

方案1：用LCD显示，显示内容丰富。方案2：用LED显示，亮度高、成本低、操作简便，但显示信息量不足，驱动占用单片机I／O较多。考虑到需要显示的内容较多，故选择方案1。

2．2．4 电源模块

方案1：电池组供电，可提供800 mAh电流，重量很轻。方案2：镍镉电池供电，电流大，而且有一定的重量。方案3：铅酸电池供电，电流、电容量大，但是重量过大，影响速度和转向。考虑到要用4个电机，需要较大的电流，又要保证速度，所以采用方案2镍镉电池供电。因为镍镉电池能提供较大的电流，并且有一定的重量，可以保持小车前后平衡。

2．3 系统总体结构框图

根据上文分析，我们设计的系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

3 理论分析与计算

我国汽车正面碰撞标准GB11551—2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》要求：速度50 k m／h下作100%正面碰撞（车辆正面完全撞在障碍物上，车头的受力面为100%）。汽车在50 k m／h以下的速度发生碰撞还是比较安全的，而50 k m／h以上的速度发生碰撞则很危险。汽车在发生车祸碰撞时持续变形时间一般为40～80 ms，随着碰撞相对速度增加，碰撞持续时间会逐渐减少。碰撞速度与碰撞位置精度的关系如表1所示。

表1 碰撞速度与碰撞位置精度的关系

碰撞速度与时间的关系如表2所示。

表2 碰撞速度与时间的关系

根据公式：得到碰撞速度与加速度的关系如表3所示。

表3 碰撞速度与加速度的关系

从表3可以看出，碰撞速度越大加速度越大，车上人员受伤的可能性就更大。加速度与对应速度60 k m／h、70 k m／h、80 k m／h的关系可以近似为：

由式（2）可得，50 k m／h碰撞的近似加速度为11g，即当加速度达到11g时足以证明发生了严重的汽车碰撞事故，很大可能让司乘人员受伤，甚至失去生命，所以应该立刻自动发出车祸报警。

4 电路与程序设计

4．1 单片机最小系统电路设计

单片机最小系统电路如图2所示。该系统包括主控MCU STC12C5 A60S2、复位电路、晶振电路和电源指示灯。

图2 单片机最小系统电路

4．2 电机驱动模块

电机驱动模块如图3所示，主要用SGS公司的L298 N芯片控制直流减速电机。

图3 电机驱动电路

4．3 软件功能设计

软件实现的功能如下：（1）初始化系统；（2）读取加速度传感器 A／D值；（3）处理数据；（4）汇总。

4．4 工作流程图

系统的主程序流如图4所示。

小车开始运行后，加速度传感器开始工作，当检测到加速度的值超过设定值后，LCD显示报警，如果加速度的值没有超过设定值，系统继续运行，重复检查加速度的值。

5 结语

随着车辆的不断增加，如何更好地保护人类生命安全已成为新一代安全系统的研究课题，人们对汽车被动安全装置特别是新型智能化汽车安全开发技术提出了更高的要求。本文给出了基于加速度传感器的车祸报警系统的设计方法和功能介绍。在汽车工业高速发展的今天，汽车已成为人们主要的交通工具之一，但是交通事故的伤亡数量也在逐年上升。因此，利用高科技去挽救人们的生命将会成为人们越来越关注的问题。基于加速度传感的车祸报警系统正是怀着这种理念而设计的，相信这种系统的推广会给现代汽车行业带来更多的安全。