摘 要： 為了保證駕乘人員行車時的安全，提出了一種基于單片機的可自動系解的智能安全帶的設(shè)計和實現(xiàn)方案。該裝置以單片機AT89S52為控制核心，通過傳感器檢測和按鍵控制，利用L298N來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)和停止，實現(xiàn)安全帶的收緊、鎖定、解除等動作。另外，抽拉式安全帶采用預(yù)收緊和拉力限制裝置，以及微碰開關(guān)，可實現(xiàn)及時收緊、適度放松和防過卷等功能。

　　關(guān)鍵詞： AT89S52; 安全帶; 自動鎖定; 步進電機

0 引言

　　現(xiàn)今，機動車的數(shù)量越來越多，安全帶是司機在車輛駕駛過程中的生命保障，被給予的重視也越來越多。由于一些司機不好的習慣，不主動系安全帶，在突發(fā)交通事故時將導(dǎo)致非常嚴重的后果[1]。統(tǒng)計表明，不系安全帶是造成道路交通死亡事故的第三大原因，僅次于超速行駛和酒后駕駛。因此，研究設(shè)計一種可以自動為司機上鎖的安全帶，降低交通事故對司機造成的傷害，有著非常大的實用意義。

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機以其體積小、功能強、功耗低的特點在現(xiàn)實生活中廣泛應(yīng)用[2]。本著實用、可靠、安全、簡潔及經(jīng)濟等原則，設(shè)計開發(fā)了基于單片機的智能控制安全帶系解裝置[3]，當機動車一開始點火時給駕乘人員自動系上安全帶；當要解開時，只要熄火或按下按鈕即可。

　　三點式安全帶在時速50 km/h的碰撞中，獲救率達50%[4]。此外，在機械結(jié)構(gòu)方面的巧妙設(shè)計，利用電機的牽引作用[5]使得安全帶自動完成上鎖，這也使得自動安全帶更具有合理性和普遍適用性，可以在很多機動車輛中推廣使用，不受車型的限制，有很廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理及其總體方案

　　機動車智能安全帶系統(tǒng)的設(shè)計需具體實現(xiàn)以下功能原理：插鑰匙上電，即當機動車一開始點火時本裝置的傳感器工作，安全帶鎖舌通過掛銷在電機牽引下，沿著設(shè)計的軌道，與鎖扣契和，無需駕乘人員動手即可自動幫駕乘人員系上安全帶，當要解開時，只要熄火或一按按鈕即可；通過滑道兩端的微碰開關(guān)，實現(xiàn)防過卷；利用直流電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)安全帶鎖定和解除的控制。

　　1.1 系統(tǒng)總體方案

　　基于單片機的機動車智能型安全帶的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　其中，以單片機AT89S52為控制核心，通過單片機發(fā)送相應(yīng)的信號給驅(qū)動模塊，采用L298N芯片控制直流電機正反轉(zhuǎn)和停止，從而控制安全帶的收緊、鎖定、解除等動作；控制按鍵1和2分別產(chǎn)生控制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的信號給單片機；采用微碰開關(guān)實現(xiàn)起點、終點電機自動停止來防止安全帶的過卷；5 V穩(wěn)壓模塊與單片機相連接，可為控制系統(tǒng)提供電源；紅外接近傳感器和熱釋電傳感器檢測到有人時則產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號給單片機，安全帶啟動。

　　1.2 單片機最小系統(tǒng)

　　本裝置最重要的元件是單片機控制中心AT89S52，它是ATMEL所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flsah存儲器。S系列的是能用下載線進行在線編程的ISP，使用簡單的HC244電路，就可以通過電腦上面的程序來對單片機進行編程，無須拆下來放到笨重的編程器上面寫片子。

　　單片機外圍線路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路和按鍵電路。

　　1.3 紅外接近傳感器

　　紅外接近傳感器的工作原理是利用傳感器的紅外發(fā)射頭對外發(fā)射一定頻率的紅外線。由于前方物體的阻擋而導(dǎo)致紅外線的反射，通過其中間的時間差進而可以求出前方物體的距離[6]。

　　結(jié)合應(yīng)用的具體需要，本系統(tǒng)采用E18-80NK紅外接近傳感器，檢測到目標時是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出。此紅外開關(guān)傳感器是一種集發(fā)射和接收為一體的反射式光電傳感器，該傳感器具有探測距離遠、可調(diào)節(jié)測量范圍、不用外加調(diào)制信號、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。

　　1.4 熱釋電傳感器

　　熱釋電傳感器HC-SR501根據(jù)菲涅耳原理制成，全自動感應(yīng)，當有人進入其感應(yīng)范圍時輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍時自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。傳感器的各項參數(shù)表明此傳感器可以方便與各類電路實現(xiàn)對接，適用于本系統(tǒng)。

　　如圖2所示為熱釋電傳感器外接圖，1和3分別接電源正負極，2可接單片機。

　　1.5 步進電機

　　步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。它可以直接接受數(shù)字信號，不需要進行數(shù)字與模擬量的轉(zhuǎn)換，具有高精度快速啟停能力。步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的、多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的多相時序控制器。

　　此系統(tǒng)選用兩相四線制步進電機，由兩組線圈構(gòu)成，其中，紅綠為一組，紅藍為一組。步進電機的驅(qū)動電路將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移來控制，改變相序可以改變轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉(zhuǎn)速。

　　1.6 電機控制模塊

　　電機控制是通過L298N來控制的。電機的正反轉(zhuǎn)都由L298N的不同輸出來控制[7]。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕仳?qū)動一個兩相步進電機。L298N與步進電機連接示意圖如圖3所示。

　　表 1 是 L298N 邏輯功能表。由表 1 可知 EnA(B) 為低電平時，輸入電平對電機控制不起作用；當 EnA(B) 為高電平時，In1、In2(In3，In4)輸入電平為一高一低，電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；In1、In2(In3，In4)同為低電平電機停止，同為高電平電機快速停止。

　　1.7 防過卷模塊

　　微碰開關(guān)是一種尺寸很小而又非常靈敏的彈簧引動的磁吸附式行程開關(guān)。它具有微小接點間隔和快動機構(gòu)，用規(guī)定的行程和規(guī)定的力實現(xiàn)開關(guān)動作的接點機構(gòu)，用外殼覆蓋，其外部有驅(qū)動桿。

　　因該設(shè)計的智能安全帶是通過電機帶動的，所以這里需要放置兩個微碰開關(guān)在安全帶滑道前端和末端，用于檢測安全帶的運行狀態(tài)。當安全帶運行到起點或終點時，能夠自動發(fā)送信號關(guān)閉電機，從而防止電機由于長時間通電而損壞[8]。

2 機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

　　本系統(tǒng)使用的抽拉式安全帶系統(tǒng)采用與常規(guī)安全帶[9]對稱的安裝方式，即司機座位的右上方、右下方和左下方，通過固定右端，改變左邊安全帶的位置實現(xiàn)安全帶的上鎖解鎖功能。這樣既能做到了不妨礙車輛的美觀，又不妨礙司機的上下車，同時又能完成既定的自動上鎖功能。

　　2.1 抽拉式安全帶簡介

　　抽拉式安全帶都設(shè)有預(yù)收緊裝置和拉力限制器。當事故發(fā)生時，理想的安全帶作用過程是：首先，及時收緊，在事故發(fā)生的第一時刻毫不猶豫地把人“按”在座椅上；然后，適度放松，待沖擊力峰值過去，或人已能受到氣囊的保護時，即適當放松安全帶，避免因拉力過大而使人肋骨受傷。

　　2.1.1 預(yù)收緊裝置

　　預(yù)收緊裝置負責提供瞬間繃緊的安全帶，目的是防止乘員身體前沖與方向盤、儀表板等發(fā)生碰撞而造成傷害，從感知事故到完成安全帶預(yù)收緊的全過程僅持續(xù)千分之幾秒[10]。其作用過程是：首先由一個探頭負責收集撞車信息，然后釋放出電脈沖，該脈沖傳遞到氣體發(fā)生器上，引爆氣體。爆炸產(chǎn)生的氣體壓力使球動，球帶動棘爪盤轉(zhuǎn)，棘爪盤帶動軸轉(zhuǎn)，瞬間實現(xiàn)安全帶的預(yù)收緊功能。棘爪盤與軸連為一體，安全帶就繞在軸上。

　　2.1.2 拉力限制器

　　事故發(fā)生后，安全帶在預(yù)收緊裝置的作用下，已經(jīng)繃緊了。但希望在受力峰值過去后，安全帶的張緊力度馬上降低，以減小乘員受力，這項功能就由安全帶拉力限制器來完成：卷繞著安全帶的軸芯里邊是一根鋼質(zhì)扭轉(zhuǎn)棒，當負荷達到預(yù)定情況時，扭轉(zhuǎn)棒開始扭曲，這樣就在一定程度上放松了安全帶，實現(xiàn)了安全帶的拉力限制功能。

　　在安全帶預(yù)收緊裝置和拉力限制器的共同作用下，可以配合安全氣囊瞬間完成緊、松、緊三個動作，緩解胸腔壓力，有效保護駕乘人員的胸部，保護能力幾乎達到了理想狀態(tài)，可降低交通事故對司機造成的傷害程度。

　　2.2 車載安全帶滑道設(shè)計介紹

　　滑道需安裝于車頂貼近車門的邊緣，前端長度以使安全帶稍高于方向盤的高度為宜，滑道末端需要到達傳統(tǒng)安全帶固定處?；赖牟牧线x擇了便于彎折、裁剪和固定的復(fù)合材料，滑道中間的彎折角度及固定點可以根據(jù)需要自行調(diào)整，有較強的適用性。

　　如圖4所示，在滑道上安裝一個滑塊，由電機驅(qū)動，牽引安全帶沿滑道運動?；滥┒诵璋惭b一個電子鎖扣裝置，在檢測到安全帶滑動到末端時會自動鎖死安全帶。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　如圖5所示為系統(tǒng)軟件功能流程圖。單片機上電后對電機驅(qū)動程序進行初始化，然后檢測安全帶是否位于初始位置，如果位于初始位置，則開始自動執(zhí)行滑動并鎖扣安全帶的動作；如果不在初始位置，則先將安全帶牽引至初始位置。進一步判斷座位上是否有人，如果有人，則牽引安全帶滑動，并掃描按鍵，到達終點時，鎖定安全帶；如果沒有人則不斷檢測傳感器狀態(tài)，并進行按鍵掃描。

4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)以司機座位為例，對安全帶自動上鎖過程進行了詳盡分析，經(jīng)過多次軟硬件綜合測試，系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的功能，通過傳感器對各種情況進行不同返回值的判斷，將安全帶鎖舌掛銷在電機牽引下，沿著設(shè)計的軌道與鎖扣契和，實現(xiàn)對乘車人員的自動上鎖動能；當要解開時，只要熄火或一按按鈕即可。

　　在機動車輛日益增多的今天，本設(shè)計可解決行車時駕乘人員不按規(guī)定使用安全帶的問題，降低交通事故對司機造成的傷害，有非常大的現(xiàn)實意義和實用價值。

參考文獻

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