基于单片机技术的智能车载安全气囊释放装置

曹杰帅，王白侠

（1.长安大学 经济与管理学院，陕西 西安 710018；2.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710018）

随着汽车普及程度的提高，以及公路网的建设日益健全，愈来愈多的公路桥梁遍布于乡村盘山路以及陡峭不平的山坡等地段，而近年来由于山体滑坡，桥梁断裂等因素致使车辆倾斜侧翻，或者坠落桥下，山下造成人员伤亡的事故频发。这主要是由于现有车辆安全气囊的释放主要是以车前盖等主要部位所受到的冲击力大小作为判断依据，而汽车在侧翻过程中着地冲击力小，又或者坠落过程中车体倾斜以不规范角度着地，致使车体传感器感应冲击力迟缓，不准确，安全气囊释放不及时，造成了乘坐人员的伤亡事故。针对现有的安全气囊临界感应条件不合理，释放不及时的弊端，本文提供一种新型的汽车安全气囊的自动释放装置，该装置能够实现汽车在倾斜侧翻，坠落山下或者桥下时，及时释放安全气囊，减少人员伤亡。

一种汽车安全气囊的自动释放装置，其设计思路是根据倾斜角度传感器，垂直加速度传感器对车辆所遭遇的意外情况的精确感知与信号输出，并且通过信号预处理成为高低电平信号通过单片机的I/O引脚以及SPI通信串口传入单片机微控制器，单片机实现A/D转换并输出决策指令，由控制驱动电路中的继电器直接控制安全气囊的释放与否，实现预定保护功能。

倾斜角度传感器：倾斜角度传感器在装置中作为感知车身倾斜角度大小的采样元件，在本装置采用的是磁敏电阻式角度传感器，且分为侧向和纵向两个不同方位的传感单元。该磁敏电阻式角度传感器是利用半导体技术制造的新型纯电阻性元件，特点是无触点，当摆动部分偏转时，通过磁敏电阻的磁通量发生变化，使磁敏电阻的阻值发生数倍以上的变化，从根本上消除了电噪声，并使精度得以提高。其中侧向角度传感单元与车轴成侧向（横向）安装，纵向传感单元与车轴成纵向安装，各使用一个安装于底盘车轴处；侧向传感单元实现的是车轴所在底盘平面以长边为公共边，与水平面所夹角度的感知测量，纵向传感单元实现的是车轴所在平面以短边为公共边与水平面所夹角度的感知测量。

倾斜角度传感器信号预处理单元：将倾斜角度传感器通过电位器W输入的线性变化模拟电量进行处理放大，并通过微控制器内置I/O引脚输入成为可供单片机处理的信号量。

加速度传感器：该加速度传感器安装在车身垂直方向，通过该加速度传感器可以感知车辆在与水平面垂直方向的加速度大小，并且形成电信号，由本身传感器内置信号处理功能直接进行放大及模数转化。该加速度传感器的信号值为数字输出，输出端直接连接微控制器的SPI通信串口，微控制器输入端接收的信号成为车身在垂直方向上加速度大小的可用传感信号。本实施例中使用的是ADI公司生产的ADXL3451三轴加速度传感器，该三轴加速度传感器基于iMEMS技术，具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可变的测量范围，最高分辨率可达13bit，标准的I2C或者SPI通信接口，32级FIFO存储，内部拥有多种运动状态监测以及灵活的中断方式，尤其适合于感应物体倾斜侧翻以及跌倒，下坠等运动形式。

微控制器：通过执行已存储的核心算法，输出决策指令是否释放安全气囊。算法的判断依据主要来自三个方面：①车身侧向倾斜角度应小于等于预定值（由于向心力因素，该倾斜角度的预定值大小应随车辆实时速度的变化而变，成函数关系）；②车身的纵向倾斜角度应小于等于预定值；③车身垂直方向加速度应小于等于预定值（当车辆发生坠落时，车身自由落体加速度应等于标准重力加速度g，但考虑到不同纬度地区重力加速度不同，所以预定值初设为0.9g，更为精确值视实际情况而设定）。通过三项传感信号对车身姿态进行判断并作出控制指令。算法总体为逻辑“或”，即只要车身侧向，纵向，垂直方向加速度三个传感值有任一达到临界条件，微控制器就会由初始值低电平变为输出高电平，从而释放安全气囊，否则三者均小于临界条件则继续输出低电平。

本装置微控制器选用Freescale 9S12DG128单片机，该单片机采用5V供电，具有25MHZ的总线速度，主要用于工业控制领域，特别适合用在汽车电子自动化控制领域。该单片机的特点是丰富的I/O引脚和工业控制专用的通信模块。能够充分满足单片机的输出指令与下一模块驱动芯片之间的传达。

紧急人工启动单元：指在车辆发生意外情况，而驾驶人员在允许的反应时间内能够做出及时的避险措施，直接对单片机输入释放安全气囊的指令，为安全气囊释放争取时间，紧急启动单元直接与单片机相连接。这体现了本装置保护全面，对意外情况避险措施多样化的优点。

紧急人工取消单元：指由传感器感知，微控制器判断车辆所处情况处于安全气囊应释放范围时，由乘坐人员自行选择此时无需释放安全气囊，在单片机微控制器预留的极短默认时间内做出取消指令，若在默认时间内未接受取消指令，则释放安全气囊。而该单元主要作用是当车辆为坠入水中时，若安全气囊释放便会为乘员逃生增加难度，通过人工取消安全气囊释放为乘员逃生减少障碍。紧急人工取消单元直接与单片机相连接；

安全气囊控制释放继电器：继电器与单片机的输出端相连接，通过接收决策指令，也就是高低电平，实现继电器的闭合，断开操作，而此，安全气囊控制释放继电器直接连接安全气囊的开关，从而直接控制安全气囊的释放；

电源单元：本装置电源单元选择车载蓄电池，供给正常工作情况下所需的电能来源，电源模块正极与单片机VCC管脚相连，负极与单片机GND管脚相连，采用稳压管为单片机持续提供5V稳定电压。

该汽车安全气囊的自动释放装置，具有以下优点：①在车辆发生倾斜侧翻时，能够实时感知并做出判断，及时释放安全气囊，保证人员安全；②在车辆发生从山路或桥梁坠落的时候，能够实时感知并做出判断，及时释放安全气囊避免人员被压伤或撞击；③对车辆意外情况感知全面，设有人工手动装置，更加全面地保护乘员安全；④微控制器采用单片机，智能化程度高，反应时间短，指令传输速度快，能更好的保护人员安全；⑤结构简单易安装，易维护，所需原件均为市场普及，造价低廉，装置实用，有利于大面积推广使用。