一种汽车落水应急救护系统的设计

樊安玲，潘远均，黄小波，宋法容，廖长荣

(重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆　永川　402160)



一种汽车落水应急救护系统的设计

樊安玲，潘远均，黄小波，宋法容，廖长荣

(重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆永川402160)

[摘要]设计了一种基于HT66F70A型单片机的汽车落水应急救护系统，系统由供电电路、汽车落水检测电路、HT66F70A单片机电路、逃生救护报警电路4部分构成.本系统利用液位变送器测取液体压力并将其转换成电压信号输出，电压信号经过HT66F70A内部的12位A/D转换器转换成数字信号，单片机根据数字信号来控制逃生救护报警电路.该系统能够在汽车落水时启动语音报警、点亮呼救灯、显示汽车在水中的下沉深度，开启呼吸通道为乘客提供呼吸环境，并打开车窗为乘客开辟逃生通道.通过仿真测试，表明本系统具有反应灵敏、测试精度高、体积小巧、价格低廉的优点，故本系统具有很好的推广应用价值.

[关键词]液位变送器；HT66F70A；逃生救护报警电路

随着经济的发展，汽车以其快捷、省时、舒适的优势赢得了越来越多人的青睐[1].然而随着汽车的增多，汽车的事故发生率也陡然上升，使得汽车安全性这个问题倍受关注.虽然就多种事故的发生而衍生出来的安全措施日趋成熟，但汽车落水这个问题一直没有设计出可行性的系统，而汽车一旦落入水中，遇难者的逃生几率少之又少，给人们的生命财产带来巨大的损失.因此，设计出一种行之有效的汽车落水保护装置具有重要的现实意义.基于人们在遇到突发情况时无法正常进行冷静的思考与判断和可利用的时间短暂等情况，设计出一套智能控制系统去完成应对汽车落水这一紧急情况发生时的救护措施，在第一时间为人们争取最大的生存机会.

本系统在车辆落水时，由高精度液位变送器将检测到的水位电压值送给HOLTEK HT66F70A单片机，经A/D转换器转换成汽车下沉深度的数字信号，通过数码管将汽车下沉深度显示出来.当汽车下沉深度超过2 cm时，启动逃生救护报警电路，语音提示电路提示车主解开安全带、点亮救护灯、开启蜂鸣器向外界发出求救信号，同时将呼吸通道和车窗均打开.其中，语音模块、开车窗和呼吸通道都是为车内人员配备，而救护灯和蜂鸣器是为了向周围求救而设置的.本系统不仅可以为车内遇难者提供信息，也可向外界求救，从而提高了遇难者的生还几率.

本系统除了可以应用在汽车落水事故中，还可以应用到暴雨淹车的情况中.进入夏天，很多城市遭遇强降雨天气，造成部分地区出现不同程度的积水，汽车被困在水中的事件屡见不鲜，因此而失去生命的案例频繁被报道[2].

接下来，本文将以总分的结构形式分别对硬件设计和软件设计进行详细的阐述.其中，硬件设计包含电源电路、落水检测电路、逃生救护报警电路.软件设计包含落水检测和数码管显示.

1系统结构

系统结构如图1所示，汽车落水应急救护系统由汽车落水检测、单片机、逃生救护报警和电源供电等四部分组成.当汽车落水检测系统的传感器检测到汽车处于落水状态时，将信号送给单片机，单片机处理后将信号送逃生救护电路采取措施进行自救，同时报警电路发出警报信号，以便获得周边人们的帮助.

图1　系统结构框图

1.1　汽车落水检测

主要由液位变送器进行实时的数据采集，将采集到的数据送给单片机A/D转换器的数据输入端口进行相应的处理.

1.2　单片机

由HT66F70A及外围电路组成，单片机将液位变送器所采集到的信号通过内部的A/D转换器进行转换，并通过处理将汽车下沉的深度通过数码管显示，若检测的信号超过了预先设定的最大值，则启动逃生救护报警功能.

1.3　逃生救护报警

主要由语音提示、蜂鸣器报警、点亮救护灯、打开通气道和打开车窗等动作组成，当传感器检测到的实时数据超过预先设定的极限值后，该系统便开始工作.

1.4　电源供电

由蓄电池提供12 V直流电，由升压电路产生24 V稳定直流电压给汽车落水检测系统供电，经降压电路产生5 V稳定电压给逃生救护报警、语音报警系统供电，经降压电路产生3.3 V稳定电压给HT66F70A单片机供电并且为A/D转换提供外部参考电压.

2硬件设计

本系统使用HT66F70A单片机作为主控器件，液位变送器作为信号采集元件，ISD 1820PY为语音报警元件，LM2596作为电源转换元件.

单片机通过液位变送器用采集到的信号来控制报警显示等一系列后续电路工作状态.具体过程：液位变送器测取液体压力并将其转换成电压信号输出，电压信号通过I/O端口传入单片机的内部A/D转换器，电压信号经A/D转换后通过数码管显示出汽车在水中下沉的深度.单片机通过计算判断汽车是否处于落水状态，若汽车处于落水状态，则启动语音报警救护电路.若汽车不是处于落水状态，则语音报警救护电路保持休眠状态.

图2　电路原理图

2.1　电源电路

由于该系统中汽车落水检测系统、单片机系统、逃生救护、报警系统的供电均不相同，设计时需要分别设计可同时为三个系统同时供电的稳定电源.本系统中，由蓄电池提供12 V直流电，由升压模块产生24 V稳定电压给汽车落水检测系统供电，经降压电路产生5 V稳定电压给逃生救护系统、语音提示系统和蜂鸣器报警系统供电，经降压电路产生3.3 V电源给单片机供电.

该系统升压模块选用LM2577，输入电压12 V，输出电压24 V，输出最大电流可达3 A.降压模块选用LM2596，输入电压12 V，输出电压分别为3.3 V和5 V.

如图3所示，12 V直流电压经肖特基二极管、电容滤波进入LM2596后再经稳压滤波调节输出稳定的3.3 V电压.图中在输入和输出端均接入了肖特基二极管，结合电容、电感元件对电压进行滤波，从而形成稳定的电压，通过RP1调节输出电压值.此外在输入端和地之间接入一个100 μF/50 V钽电容作为旁路电容，以防止在输入端出现过大的瞬态电压，同时为LM2596在每次开关时提供瞬态电流[3].在输出端和地之间接入一个小阻抗150 μF/35 V的钽电容则可提高环路的稳定性并对输出进行滤波.该模块的3.3 V正、负极分别连接至HT66F70A芯片的第8脚(VDD)，第7脚(VSS)同时将正端连接至HT66F70A芯片的第1脚(VREF)作为A/D转换的外部参考电压.

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图3　3.3 V电源电路

如图4所示，12 V直流电压经电容滤波后进入LM2596，经稳压滤波调节输出稳定电压，通过调节可变电阻RP3获得稳定的5 V电压.在该芯片的输入端接入电容以实现滤波的效果，在输出端不仅利用了电容还结合了二极管和电感，使得输出电压更加稳定.电路中的输入端与地之间接入了一个100 μF/50 V的钽电容以防止在输入端出现过大的瞬态电压，输出端与地之间的150 μF/35 V钽电容用以提高环路的稳定性和对输出进行滤波[3].该5 V电路连接至语音报警芯片的电源端，为语音芯片的工作提供电源，同时，将该5 V电路供给继电器的电源端，为继电器的工作提供电源，对后续报警电路及逃生系统提供能源.

图4　5 V电源电路

如图5所示，12 V直流电压经稳压滤波进入LM2577后再经滤波输出稳定的24 V电压.该24 V连接至液位变送器的电源端，为液位变送器的正常工作提供电源.

图5　24 V电源电路

2.2　落水检测

本设计的落水检测通过液位变送器实现，传感器作为整个系统的前端信号接收器件，直接影响着整个控制系统的可靠度和精确度.系统的灵敏度直接关系着人们是否可以逃生，该系统对灵敏度的要求相当高.由此在传感器的选择上，本设计采用了以扩散硅为敏感器件的投入式液位变送器.

鉴于环境和精度考虑，我们选择了投入式液位变送器GB-2100A.此液位传感器的输出信号分为电流型和电压型，在本设计中选用电压输出型.此液位变送器具有高精度、高稳定、抗干扰能力强、防腐蚀、抗震动等优点[4].

如图6所示，通过24 V直流电压为液位变送器供电，在输出引脚接入一个滑动变阻器，使输出信号由0~5 V的模拟信号转换成0~3 V的模拟信号.HT66F70A的PA1端口与该液位变送器的输出端口相连接，作为A/D转换的输入端口.

图6　液位变送器

2.3　外围设备

系统的外围设备部分主要包括数码管显示电路、语音提示电路、打开车窗电路、点亮救护灯电路和呼吸通道电路.这些电路都由单片机根据数据处理的不同情况进行驱动，以实现显示、报警、开车窗、开通气管道和点亮激光灯的功能.

2.3.1语音提示电路

图7　语音提示电路

2.3.2打开车窗电路、点亮救护灯电路、打开呼吸通道电路

如图8所示，HT66F70A的PF1引脚与该模块的控制端口相连接，当单片机送入低电平时，三极管导通，继电器常闭端断开或闭合，LED点亮、车窗打开.将控制端口PF1改为PF2和PF3， 此原理图便应用于点亮救护灯电路和打开呼吸通道电路.

图8　打开车窗电路、点亮救护灯电路、打开呼吸通道电路

3软件设计

系统软件采用模块化设计思想，以主程序为核心设置了多个功能模块子程序，简化了程序设计结构.各模块采用C语言进行编程，运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序来实现整个系统功能.

3.1　主程序流程图

主程序流程图如图9所示.当接通电源，系统处于待机状态.由于HT66F70A芯片几乎每个引脚都具有至少两种功能，必须先对端口进行功能设定后才可正常使用，并且该芯片需要对看门狗进行设定，若无需要，则需把看门狗除能，否则，会影响后续程序的正常运行.通过传感器判断汽车是否处于落水状态，如果汽车处于落水状态，则启动逃生救护报警，否则，逃生救护报警保持待机状态.

图9　主程序流程图

3.2　落水检测

落水检测主要涉及HT66F70A对液位传感器所检测到的模拟信号进行转换.本设计采用HT66F70A芯片内部自带一组12位的A/D转换器，有效地减少了外部器件和器件空间需求，降低了成本，并且减少了外部布线的干扰.此单片机可以直接接入外部模拟信号并直接将这些信号转换成12位的数字量.由于模拟输入最大值等于VDD或VREF的电压值，因此每一位可表示VDD或VREF/4096的模拟输入值[6].在本设计中，由于HT66F70A使用的是外部参考电压(3.3 V)，因此其转换公式应为：A/D输入电压=A/D数字输出值×3.3/4096.A/D转换流程图如图10所示.

图10　A/D转换流程图

接通电源，对芯片内部的A/D转换器端口进行初始化设置，以确定A/D数据输入端口、A/D转换的时钟、A/D数据的存储格式以及所使用的参考电压类型.使能A/D转换，通过检测EOCB位是否为0来判断模数转换是否完成.如果为零，则转换结束，进行数据的读取，否则等待转换结束.A/D转换后的值存于ADCRL和ADCRH两个寄存器中[7]，根据预先设定的数据存储格式来读取寄存器中值，将读取的数据通过计算公式转换后通过数码管显示.

3.3　数码管显示

本设计采用四位七段共阴数码管显示汽车下沉深度，该选择方案既可以满足所需功能又节约成本，并且减小了整体电路的体积.数码管显示流程图如图11所示.

接通电源，对数码管的数据端口和公共端口进行引脚分配，确定控制数码管显示内容和选择数码管显示位的芯片端口.建立数码管显示数据常数表以便于后续查表显示内容.对所使用的端口进行初始化设置，指定其功能为I/O端口.在前续工作做好后，便可进行数据的处理工作了，将所显示的数据通过查表法在数码管显示出.

图11　数码管显示流程图

4系统测试

将该系统缓慢浸入水中，通过直尺测量其入水深度，根据测量值检测该系统的准确度并观察系统入水过程所伴随的现象.检测数据如表1所示.

表1　系统深度准确度测试

由表中数据可得出，此系统所检测的水深与实际测量的水深比较误差小，精确度高.系统效果如图12所示.

图12　系统测试效果

5结语

本设计以HT66F70A型单片机为核心，利用液位变送器测取液体压力并将其转换成电压信号输出，单片机将该电压信号转换和处理后判断汽车是否处于落水状态.假如汽车处于落水状态，则启动语音报警、点亮呼救灯、显示汽车在水中的下沉深度，开启呼吸通道为乘客提供呼吸环境，并打开车窗为乘客开辟逃生通道.本系统除了可以应用在汽车落水事故中，还可以应用到现今暴雨淹车的情况中.因此，有着广泛的应用前景.

[参考文献]

[1]宋伟克.汽车落水怎么逃[J].职安健广角生活，2013(10)：117-119.

[2]陈萌.暴雨淹车怎么办[J/OL].民生周刊，2011年第28期.[2014-02-11].http://paper.people.com.cn/mszk/html/2011-07/11/content_871454.htm?div=-1.

[3]豆丁网.LM2596开关电压调节器[DB/OL].(2012-02-14)[2014-02-16].http://www.docin.com/p-341864565.html.

[4]北京港北中天科技有限公司.《通用性》扩散硅投入式液位变送器[DB/OL].[2014-02-16].http://www.010gbzt.com/htmlmodel/cpxx/10834909.html.

[5]胡冰，赵阳.20秒语音录音盒的制作[J].电子制作，2009(5)：24-26.

(责任编辑吴强)

A kind of emergency rescue system for the car falling into the water

FAN Anling, PAN Yuanjun, HUANG Xiaobo, SONG Farong, LIAO Changrong

(School of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

Abstract：A kind of auto emergency rescue system was designed based on the microcontroller of HT66F70A. The system consists of a power supply circuit, auto water detection circuit, HT66F70A circuit, ambulance escape alarm circuit composed of four parts. The system uses the liquid level transmitter to measure liquid pressure and transform it into the signal of voltage output, and voltage signal is converted into digital signal by the internal conversion of HT66F70A. The system can start the voice alarm when the car falls down, lighting distress lamps, and showing that the car in the sink is in the water depth, opening the channel breathing environment for passengers, and the window for passenger emergency to exit. By simulation test, it shows that it has the very good application value with sensitive response, high precision, small volume and low cost.

Key words：liquid level transmitter; HT66F70A; ambulance escape alarm circuit

[中图分类号]TP271.5

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2015)05-0081-06

[作者简介]廖长荣(1979-)，男，重庆潼南人，实验师，主要从事电子电路设计方面的研究.

[基金项目]樊安玲(1992-)，女，重庆永川人，主要从事自动化方面的研究.

[收稿日期]2014-10-23