【学习笔记—汽车电子（3）】基于单片机的机动车智能安全带设计
0 引言
现今，机动车的数量越来越多，安全带是司机在车辆驾驶过程中的生命保障，被给予的重视也越来越多。由于一些司机不好的习惯，不主动系安全带，在突发交通事故时将导致非常严重的后果。统计表明，不系安全带是造成道路交通死亡事故的第三大原因，仅次于超速行驶和酒后驾驶。因此，研究设计一种可以自动为司机上锁的安全带，降低交通事故对司机造成的伤害，有着非常大的实用意义。
随着电子技术的发展，单片机以其体积小、功能强、功耗低的特点在现实生活中广泛应用。本着实用、可靠、安全、简洁及经济等原则，设计开发了基于单片机的智能控制安全带系解装置，当机动车一开始点火时给驾乘人员自动系上安全带；当要解开时，只要熄火或按下按钮即可。
三点式安全带在时速50 km/h的碰撞中，获救率达50%。此外，在机械结构方面的巧妙设计，利用电机的牵引作用[5]使得安全带自动完成上锁，这也使得自动安全带更具有合理性和普遍适用性，可以在很多机动车辆中推广使用，不受车型的限制，有很广阔的市场前景。
1 系统设计原理及其总体方案
机动车智能安全带系统的设计需具体实现以下功能原理：插钥匙上电，即当机动车一开始点火时本装置的传感器工作，安全带锁舌通过挂销在电机牵引下，沿着设计的轨道，与锁扣契和，无需驾乘人员动手即可自动帮驾乘人员系上安全带，当要解开时，只要熄火或一按按钮即可；通过滑道两端的微碰开关，实现防过卷；利用直流电机正反转实现安全带锁定和解除的控制。
1.1 系统总体方案
基于单片机的机动车智能型安全带的控制系统结构框图如图1所示。
其中，以单片机AT89S52为控制核心，通过单片机发送相应的信号给驱动模块，采用L298N芯片控制直流电机正反转和停止，从而控制安全带的收紧、锁定、解除等动作；控制按键1和2分别产生控制电机正转和反转的信号给单片机；采用微碰开关实现起点、终点电机自动停止来防止安全带的过卷；5 V稳压模块与单片机相连接，可为控制系统提供电源；红外接近传感器和热释电传感器检测到有人时则产生相应的电平信号给单片机，安全带启动。
1.2 单片机最小系统
本装置最重要的元件是单片机控制中心AT89S52，它是ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系统可编程Flsah存储器。S系列的是能用下载线进行在线编程的ISP，使用简单的HC244电路，就可以通过电脑上面的程序来对单片机进行编程，无须拆下来放到笨重的编程器上面写片子。
单片机外围线路主要包括时钟电路、复位电路和按键电路。
1.3 红外接近传感器
红外接近传感器的工作原理是利用传感器的红外发射头对外发射一定频率的红外线。由于前方物体的阻挡而导致红外线的反射，通过其中间的时间差进而可以求出前方物体的距离。
结合应用的具体需要，本系统采用E18-80NK红外接近传感器，检测到目标时是低电平输出，正常状态是高电平输出。此红外开关传感器是一种集发射和接收为一体的反射式光电传感器，该传感器具有探测距离远、可调节测量范围、不用外加调制信号、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。
1.4 热释电传感器
热释电传感器HC-SR501根据菲涅耳原理制成，全自动感应，当有人进入其感应范围时输出高电平，人离开感应范围时自动延时关闭高电平，输出低电平。传感器的各项参数表明此传感器可以方便与各类电路实现对接，适用于本系统。
如图2所示为热释电传感器外接图，1和3分别接电源正负极，2可接单片机。
1.5 步进电机
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。它可以直接接受数字信号，不需要进行数字与模拟量的转换，具有高精度快速启停能力。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的、多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。
此系统选用两相四线制步进电机，由两组线圈构成，其中，红绿为一组，红蓝为一组。步进电机的驱动电路将电脉冲信号转化为角位移来控制，改变相序可以改变转向，实现正反转；调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。
1.6 电机控制模块
电机控制是通过L298N来控制的。电机的正反转都由L298N的不同输出来控制。L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便地驱动一个两相步进电机。L298N与步进电机连接示意图如图3所示。
表 1 是 L298N 逻辑功能表。由表 1 可知 EnA(B) 为低电平时，输入电平对电机控制不起作用；当 EnA(B) 为高电平时，In1、In2(In3，In4)输入电平为一高一低，电机正转或反转；In1、In2(In3，In4)同为低电平电机停止，同为高电平电机快速停止。
1.7 防过卷模块
微碰开关是一种尺寸很小而又非常灵敏的弹簧引动的磁吸附式行程开关。它具有微小接点间隔和快动机构，用规定的行程和规定的力实现开关动作的接点机构，用外壳覆盖，其外部有驱动杆。
因该设计的智能安全带是通过电机带动的，所以这里需要放置两个微碰开关在安全带滑道前端和末端，用于检测安全带的运行状态。当安全带运行到起点或终点时，能够自动发送信号关闭电机，从而防止电机由于长时间通电而损坏。
2 机械结构的设计
本系统使用的抽拉式安全带系统采用与常规安全带对称的安装方式，即司机座位的右上方、右下方和左下方，通过固定右端，改变左边安全带的位置实现安全带的上锁解锁功能。这样既能做到了不妨碍车辆的美观，又不妨碍司机的上下车，同时又能完成既定的自动上锁功能。
2.1 抽拉式安全带简介
抽拉式安全带都设有预收紧装置和拉力限制器。当事故发生时，理想的安全带作用过程是：首先，及时收紧，在事故发生的第一时刻毫不犹豫地把人“按”在座椅上；然后，适度放松，待冲击力峰值过去，或人已能受到气囊的保护时，即适当放松安全带，避免因拉力过大而使人肋骨受伤。
2.1.1 预收紧装置
预收紧装置负责提供瞬间绷紧的安全带，目的是防止乘员身体前冲与方向盘、仪表板等发生碰撞而造成伤害，从感知事故到完成安全带预收紧的全过程仅持续千分之几秒。其作用过程是：首先由一个探头负责收集撞车信息，然后释放出电脉冲，该脉冲传递到气体发生器上，引爆气体。爆炸产生的气体压力使球动，球带动棘爪盘转，棘爪盘带动轴转，瞬间实现安全带的预收紧功能。棘爪盘与轴连为一体，安全带就绕在轴上。
2.1.2 拉力限制器
事故发生后，安全带在预收紧装置的作用下，已经绷紧了。但希望在受力峰值过去后，安全带的张紧力度马上降低，以减小乘员受力，这项功能就由安全带拉力限制器来完成：卷绕着安全带的轴芯里边是一根钢质扭转棒，当负荷达到预定情况时，扭转棒开始扭曲，这样就在一定程度上放松了安全带，实现了安全带的拉力限制功能。
在安全带预收紧装置和拉力限制器的共同作用下，可以配合安全气囊瞬间完成紧、松、紧三个动作，缓解胸腔压力，有效保护驾乘人员的胸部，保护能力几乎达到了理想状态，可降低交通事故对司机造成的伤害程度。
2.2 车载安全带滑道设计介绍
滑道需安装于车顶贴近车门的边缘，前端长度以使安全带稍高于方向盘的高度为宜，滑道末端需要到达传统安全带固定处。滑道的材料选择了便于弯折、裁剪和固定的复合材料，滑道中间的弯折角度及固定点可以根据需要自行调整，有较强的适用性。
如图4所示，在滑道上安装一个滑块，由电机驱动，牵引安全带沿滑道运动。滑道末端需安装一个电子锁扣装置，在检测到安全带滑动到末端时会自动锁死安全带。
3 系统软件设计
如图5所示为系统软件功能流程图。单片机上电后对电机驱动程序进行初始化，然后检测安全带是否位于初始位置，如果位于初始位置，则开始自动执行滑动并锁扣安全带的动作；如果不在初始位置，则先将安全带牵引至初始位置。进一步判断座位上是否有人，如果有人，则牵引安全带滑动，并扫描按键，到达终点时，锁定安全带；如果没有人则不断检测传感器状态，并进行按键扫描。
4 结论
本系统以司机座位为例，对安全带自动上锁过程进行了详尽分析，经过多次软硬件综合测试，系统能够完成预期的功能，通过传感器对各种情况进行不同返回值的判断，将安全带锁舌挂销在电机牵引下，沿着设计的轨道与锁扣契和，实现对乘车人员的自动上锁动能；当要解开时，只要熄火或一按按钮即可。
在机动车辆日益增多的今天，本设计可解决行车时驾乘人员不按规定使用安全带的问题，降低交通事故对司机造成的伤害，有非常大的现实意义和实用价值。