汽车智能破窗装置的设计与实现

张恒 费颖 吴苏皖 王勇 周玲霞

摘   要：近年来客车起火的事故常有发生，且往往伴随着人员与财产的巨大损失。文章针对当前大中型客车普遍采用的安全锤等破窗设备的弊端，设计一种新型智能破窗器，通过传感器实现对车内温度、烟雾质量浓度等环境因素的实时性监测，应急报警，快速响应，精准击破，最大程度增加逃生时间，提升客车安全性，将损失降到最低。

关键词：实时监测;传感器;自动破窗

1    智能破窗器结构及功能实现

自动破窗器控制系统是由中央处理器、电源模块、点火驱动模块、信号处理模块、传感器总线系统模块、烟雾传感器和温度传感器诊断与检测模块、通信模块等组成（见图1）。

自动破窗器通过烟雾和温度传感器时刻采集车厢内的数据，并将相关信息传输至中央控制器进行处理，当超过阈值时，以最快的速度做出反应，驱动点火装置，实现破窗，并且由通信模块通过车载通信设备向车辆地面管理系统发出车辆事故的信号，等待及时救援[1]。

2    智能破窗器系统硬件设计

2.1  中央控制器

微控制器选用STM8AF6266来构建系统（见图2）为其引脚分布。其内部有32K EPROM，2 k内存，有7路A/D，并且有SCI，SPI，IIC和CAN等总线接口。其内部还具有硬件乘法器，4个定时器，可设置中断优先级，高达10 MIPS的运算速率，芯片简单高效功能齐全，满足破窗器的要求。

中央控制单元主要集成以下功能：

（1）对烟雾传感器和温度传感器的信号进行处理。

（2）在汽车发生火灾时，能及时有效控制破窗器。

（3）诊断电控单元内部、外部功能和系统部件。

（4）存储烟雾类型和温度持续时间，并通过诊断总线接口读出故障信息。

2.2  电源模块

自动破窗器系统的无源保护网络如图3所示，可以杜绝高压尖峰、持续过压、电池反向和电流过度消耗造成的损害。如果负载电流超过1 A的时间太长，保险丝F1就会熔化。D1与F1结合防止电池反向连接造成损害，大电流流经正向偏置的D1并烧断保险丝。并且电感器增加了很小的电阻，来限制输入瞬态的转换率以及峰值故障电流，从而在出现尖峰的时候，帮助C1实现了嵌位[2]。

2.3  烟雾、温度传感器

对于温度的监测采用的是常用的DS18B20温度传感器，该传感器体积小、功耗低、测温精确且范围广。DS18B20采用的是寄生电源供电的方式，功耗小，能较好满足要求。烟雾传感器使用的是监测可燃气体烟雾的MQ-2，具有高灵敏度、快速响应恢复以及优异的稳定性的优点。用的烟雾传感器灵敏度在0.15～0.3 dB/m，温度传感器以及倾角传感器的监测精度均达到国家标准，且满足防尘、防虫、抗白光干扰、抗震设计要求。

2.4  点火系统

采用MOTOROLA公司的四通道点火驱动芯片MC33797，与处理器之间的通信主要通过串行外围设备接口SPI来实现。处理器通过主从芯片间的SPI通信来实现对该驱动芯片进行正确的控制和诊断。在本系统中，STM8AF6266单片机作为中央处理单元，本身具有一个硬件SPI接口。STM8AF6266单片机作为主器件，MC33797驱动芯片作为从器件。具体点火系统的硬件结构设计如图4所示。

3    智能破窗器系统软件设计

软件设计总体思想如图5所示，本系统在数据采集与处理判断上经过碰撞识别算法确保正确有效，然后交给控制算法进行判断。除此之外，为保证系统的可靠性，每次启动都会进行上电自检以及模块循环，只要无意外情况发生，模块的检测就会循环进行。对周围温度的界定以及空气烟雾质量浓度来判断汽车所处状况，当汽车处在危险境遇时实行破窗行为。即当自检时发现故障，系統会产生故障提示，等到故障被解决后又进入正常工作[3]。

4    结语

经过测试，相较于目前普遍采用的安全锤等人力破窗设备，虽然是有效的逃生工具，但在复杂多变的事故灾难面前，本设计也存在着致命的不足。本研究研发的自动破窗器可以完全避免人力破窗的所有不足，通过传感器装置实时检测车内各项环境参数来判断事故是否发生，若判断出事故发生则自动启动破窗装置。智能破窗器无论是在技术实现上还是安全可靠性上都具有很大的革新，高精准的实时性以及具有实用性将带来一定的社会经济效益。因此，值得向市场推广以及进一步研究、完善。

[参考文献]

[1]许世维，唐自强，王鹏，等.汽车自动破窗逃生系统的研发[J].现代制造工程，2016（2）：36-40.

[2]李华洋.基于微控制器的客车火灾报警系统[J].现代电子技术，2015（6）：74-77，82.

[3]肖伟权，蔡纯洁，周东明.基于MC33797的安全气囊点火驱动电路[J].仪表技术，2007（10）：61-62，65.

Abstract：In recent years， accidents of bus fire often occur， and are often accompanied by huge loss of personnel and property. The purpose of this paper is to design a new type of intelligent window breaker in view of the disadvantages of safety hammer and other window breaking equipment commonly used in medium and large passenger cars. The real-time monitoring of environmental factors such as temperature and smoke concentration in the vehicle is realized by sensor， emergency alarm， rapid response and accurate breakdown are realized， the escape time is increased to the greatest extent， the safety of bus is improved， and the loss is minimized.

Key words：real-time monitoring; sensors; automatic window breaking