樊安玲，潘遠均，黃小波，宋法容，廖長榮

(重慶文理學院電子電氣工程學院， 重慶　永川　402160)

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一種汽車落水應急救護系統(tǒng)的設(shè)計

樊安玲，潘遠均，黃小波，宋法容，廖長榮

(重慶文理學院電子電氣工程學院， 重慶永川402160)

[摘要]設(shè)計了一種基于HT66F70A型單片機的汽車落水應急救護系統(tǒng)，系統(tǒng)由供電電路、汽車落水檢測電路、HT66F70A單片機電路、逃生救護報警電路4部分構(gòu)成.本系統(tǒng)利用液位變送器測取液體壓力并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，電壓信號經(jīng)過HT66F70A內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機根據(jù)數(shù)字信號來控制逃生救護報警電路.該系統(tǒng)能夠在汽車落水時啟動語音報警、點亮呼救燈、顯示汽車在水中的下沉深度，開啟呼吸通道為乘客提供呼吸環(huán)境，并打開車窗為乘客開辟逃生通道.通過仿真測試，表明本系統(tǒng)具有反應靈敏、測試精度高、體積小巧、價格低廉的優(yōu)點，故本系統(tǒng)具有很好的推廣應用價值.

[關(guān)鍵詞]液位變送器；HT66F70A；逃生救護報警電路

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車以其快捷、省時、舒適的優(yōu)勢贏得了越來越多人的青睞[1].然而隨著汽車的增多，汽車的事故發(fā)生率也陡然上升，使得汽車安全性這個問題倍受關(guān)注.雖然就多種事故的發(fā)生而衍生出來的安全措施日趨成熟，但汽車落水這個問題一直沒有設(shè)計出可行性的系統(tǒng)，而汽車一旦落入水中，遇難者的逃生幾率少之又少，給人們的生命財產(chǎn)帶來巨大的損失.因此，設(shè)計出一種行之有效的汽車落水保護裝置具有重要的現(xiàn)實意義.基于人們在遇到突發(fā)情況時無法正常進行冷靜的思考與判斷和可利用的時間短暫等情況，設(shè)計出一套智能控制系統(tǒng)去完成應對汽車落水這一緊急情況發(fā)生時的救護措施，在第一時間為人們爭取最大的生存機會.

本系統(tǒng)在車輛落水時，由高精度液位變送器將檢測到的水位電壓值送給HOLTEK HT66F70A單片機，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成汽車下沉深度的數(shù)字信號，通過數(shù)碼管將汽車下沉深度顯示出來.當汽車下沉深度超過2 cm時，啟動逃生救護報警電路，語音提示電路提示車主解開安全帶、點亮救護燈、開啟蜂鳴器向外界發(fā)出求救信號，同時將呼吸通道和車窗均打開.其中，語音模塊、開車窗和呼吸通道都是為車內(nèi)人員配備，而救護燈和蜂鳴器是為了向周圍求救而設(shè)置的.本系統(tǒng)不僅可以為車內(nèi)遇難者提供信息，也可向外界求救，從而提高了遇難者的生還幾率.

本系統(tǒng)除了可以應用在汽車落水事故中，還可以應用到暴雨淹車的情況中.進入夏天，很多城市遭遇強降雨天氣，造成部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的積水，汽車被困在水中的事件屢見不鮮，因此而失去生命的案例頻繁被報道[2].

接下來，本文將以總分的結(jié)構(gòu)形式分別對硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行詳細的闡述.其中，硬件設(shè)計包含電源電路、落水檢測電路、逃生救護報警電路.軟件設(shè)計包含落水檢測和數(shù)碼管顯示.

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，汽車落水應急救護系統(tǒng)由汽車落水檢測、單片機、逃生救護報警和電源供電等四部分組成.當汽車落水檢測系統(tǒng)的傳感器檢測到汽車處于落水狀態(tài)時，將信號送給單片機，單片機處理后將信號送逃生救護電路采取措施進行自救，同時報警電路發(fā)出警報信號，以便獲得周邊人們的幫助.

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1　汽車落水檢測

主要由液位變送器進行實時的數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)送給單片機A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入端口進行相應的處理.

1.2　單片機

由HT66F70A及外圍電路組成，單片機將液位變送器所采集到的信號通過內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，并通過處理將汽車下沉的深度通過數(shù)碼管顯示，若檢測的信號超過了預先設(shè)定的最大值，則啟動逃生救護報警功能.

1.3　逃生救護報警

主要由語音提示、蜂鳴器報警、點亮救護燈、打開通氣道和打開車窗等動作組成，當傳感器檢測到的實時數(shù)據(jù)超過預先設(shè)定的極限值后，該系統(tǒng)便開始工作.

1.4　電源供電

由蓄電池提供12 V直流電，由升壓電路產(chǎn)生24 V穩(wěn)定直流電壓給汽車落水檢測系統(tǒng)供電，經(jīng)降壓電路產(chǎn)生5 V穩(wěn)定電壓給逃生救護報警、語音報警系統(tǒng)供電，經(jīng)降壓電路產(chǎn)生3.3 V穩(wěn)定電壓給HT66F70A單片機供電并且為A/D轉(zhuǎn)換提供外部參考電壓.

2硬件設(shè)計

本系統(tǒng)使用HT66F70A單片機作為主控器件，液位變送器作為信號采集元件，ISD 1820PY為語音報警元件，LM2596作為電源轉(zhuǎn)換元件.

單片機通過液位變送器用采集到的信號來控制報警顯示等一系列后續(xù)電路工作狀態(tài).具體過程：液位變送器測取液體壓力并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，電壓信號通過I/O端口傳入單片機的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過數(shù)碼管顯示出汽車在水中下沉的深度.單片機通過計算判斷汽車是否處于落水狀態(tài)，若汽車處于落水狀態(tài)，則啟動語音報警救護電路.若汽車不是處于落水狀態(tài)，則語音報警救護電路保持休眠狀態(tài).

圖2　電路原理圖

2.1　電源電路

由于該系統(tǒng)中汽車落水檢測系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、逃生救護、報警系統(tǒng)的供電均不相同，設(shè)計時需要分別設(shè)計可同時為三個系統(tǒng)同時供電的穩(wěn)定電源.本系統(tǒng)中，由蓄電池提供12 V直流電，由升壓模塊產(chǎn)生24 V穩(wěn)定電壓給汽車落水檢測系統(tǒng)供電，經(jīng)降壓電路產(chǎn)生5 V穩(wěn)定電壓給逃生救護系統(tǒng)、語音提示系統(tǒng)和蜂鳴器報警系統(tǒng)供電，經(jīng)降壓電路產(chǎn)生3.3 V電源給單片機供電.

該系統(tǒng)升壓模塊選用LM2577，輸入電壓12 V，輸出電壓24 V，輸出最大電流可達3 A.降壓模塊選用LM2596，輸入電壓12 V，輸出電壓分別為3.3 V和5 V.

如圖3所示，12 V直流電壓經(jīng)肖特基二極管、電容濾波進入LM2596后再經(jīng)穩(wěn)壓濾波調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓.圖中在輸入和輸出端均接入了肖特基二極管，結(jié)合電容、電感元件對電壓進行濾波，從而形成穩(wěn)定的電壓，通過RP1調(diào)節(jié)輸出電壓值.此外在輸入端和地之間接入一個100 μF/50 V鉭電容作為旁路電容，以防止在輸入端出現(xiàn)過大的瞬態(tài)電壓，同時為LM2596在每次開關(guān)時提供瞬態(tài)電流[3].在輸出端和地之間接入一個小阻抗150 μF/35 V的鉭電容則可提高環(huán)路的穩(wěn)定性并對輸出進行濾波.該模塊的3.3 V正、負極分別連接至HT66F70A芯片的第8腳(VDD)，第7腳(VSS)同時將正端連接至HT66F70A芯片的第1腳(VREF)作為A/D轉(zhuǎn)換的外部參考電壓.

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圖3　3.3 V電源電路

如圖4所示，12 V直流電壓經(jīng)電容濾波后進入LM2596，經(jīng)穩(wěn)壓濾波調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定電壓，通過調(diào)節(jié)可變電阻RP3獲得穩(wěn)定的5 V電壓.在該芯片的輸入端接入電容以實現(xiàn)濾波的效果，在輸出端不僅利用了電容還結(jié)合了二極管和電感，使得輸出電壓更加穩(wěn)定.電路中的輸入端與地之間接入了一個100 μF/50 V的鉭電容以防止在輸入端出現(xiàn)過大的瞬態(tài)電壓，輸出端與地之間的150 μF/35 V鉭電容用以提高環(huán)路的穩(wěn)定性和對輸出進行濾波[3].該5 V電路連接至語音報警芯片的電源端，為語音芯片的工作提供電源，同時，將該5 V電路供給繼電器的電源端，為繼電器的工作提供電源，對后續(xù)報警電路及逃生系統(tǒng)提供能源.

圖4　5 V電源電路

如圖5所示，12 V直流電壓經(jīng)穩(wěn)壓濾波進入LM2577后再經(jīng)濾波輸出穩(wěn)定的24 V電壓.該24 V連接至液位變送器的電源端，為液位變送器的正常工作提供電源.

圖5　24 V電源電路

2.2　落水檢測

本設(shè)計的落水檢測通過液位變送器實現(xiàn)，傳感器作為整個系統(tǒng)的前端信號接收器件，直接影響著整個控制系統(tǒng)的可靠度和精確度.系統(tǒng)的靈敏度直接關(guān)系著人們是否可以逃生，該系統(tǒng)對靈敏度的要求相當高.由此在傳感器的選擇上，本設(shè)計采用了以擴散硅為敏感器件的投入式液位變送器.

鑒于環(huán)境和精度考慮，我們選擇了投入式液位變送器GB-2100A.此液位傳感器的輸出信號分為電流型和電壓型，在本設(shè)計中選用電壓輸出型.此液位變送器具有高精度、高穩(wěn)定、抗干擾能力強、防腐蝕、抗震動等優(yōu)點[4].

如圖6所示，通過24 V直流電壓為液位變送器供電，在輸出引腳接入一個滑動變阻器，使輸出信號由0~5 V的模擬信號轉(zhuǎn)換成0~3 V的模擬信號.HT66F70A的PA1端口與該液位變送器的輸出端口相連接，作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入端口.

圖6　液位變送器

2.3　外圍設(shè)備

系統(tǒng)的外圍設(shè)備部分主要包括數(shù)碼管顯示電路、語音提示電路、打開車窗電路、點亮救護燈電路和呼吸通道電路.這些電路都由單片機根據(jù)數(shù)據(jù)處理的不同情況進行驅(qū)動，以實現(xiàn)顯示、報警、開車窗、開通氣管道和點亮激光燈的功能.

2.3.1語音提示電路

圖7　語音提示電路

2.3.2打開車窗電路、點亮救護燈電路、打開呼吸通道電路

如圖8所示，HT66F70A的PF1引腳與該模塊的控制端口相連接，當單片機送入低電平時，三極管導通，繼電器常閉端斷開或閉合，LED點亮、車窗打開.將控制端口PF1改為PF2和PF3， 此原理圖便應用于點亮救護燈電路和打開呼吸通道電路.

圖8　打開車窗電路、點亮救護燈電路、打開呼吸通道電路

3軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想，以主程序為核心設(shè)置了多個功能模塊子程序，簡化了程序設(shè)計結(jié)構(gòu).各模塊采用C語言進行編程，運行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序來實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能.

3.1　主程序流程圖

主程序流程圖如圖9所示.當接通電源，系統(tǒng)處于待機狀態(tài).由于HT66F70A芯片幾乎每個引腳都具有至少兩種功能，必須先對端口進行功能設(shè)定后才可正常使用，并且該芯片需要對看門狗進行設(shè)定，若無需要，則需把看門狗除能，否則，會影響后續(xù)程序的正常運行.通過傳感器判斷汽車是否處于落水狀態(tài)，如果汽車處于落水狀態(tài)，則啟動逃生救護報警，否則，逃生救護報警保持待機狀態(tài).

圖9　主程序流程圖

3.2　落水檢測

落水檢測主要涉及HT66F70A對液位傳感器所檢測到的模擬信號進行轉(zhuǎn)換.本設(shè)計采用HT66F70A芯片內(nèi)部自帶一組12位的A/D轉(zhuǎn)換器，有效地減少了外部器件和器件空間需求，降低了成本，并且減少了外部布線的干擾.此單片機可以直接接入外部模擬信號并直接將這些信號轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量.由于模擬輸入最大值等于VDD或VREF的電壓值，因此每一位可表示VDD或VREF/4096的模擬輸入值[6].在本設(shè)計中，由于HT66F70A使用的是外部參考電壓(3.3 V)，因此其轉(zhuǎn)換公式應為：A/D輸入電壓=A/D數(shù)字輸出值×3.3/4096.A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖10所示.

圖10　A/D轉(zhuǎn)換流程圖

接通電源，對芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器端口進行初始化設(shè)置，以確定A/D數(shù)據(jù)輸入端口、A/D轉(zhuǎn)換的時鐘、A/D數(shù)據(jù)的存儲格式以及所使用的參考電壓類型.使能A/D轉(zhuǎn)換，通過檢測EOCB位是否為0來判斷模數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成.如果為零，則轉(zhuǎn)換結(jié)束，進行數(shù)據(jù)的讀取，否則等待轉(zhuǎn)換結(jié)束.A/D轉(zhuǎn)換后的值存于ADCRL和ADCRH兩個寄存器中[7]，根據(jù)預先設(shè)定的數(shù)據(jù)存儲格式來讀取寄存器中值，將讀取的數(shù)據(jù)通過計算公式轉(zhuǎn)換后通過數(shù)碼管顯示.

3.3　數(shù)碼管顯示

本設(shè)計采用四位七段共陰數(shù)碼管顯示汽車下沉深度，該選擇方案既可以滿足所需功能又節(jié)約成本，并且減小了整體電路的體積.數(shù)碼管顯示流程圖如圖11所示.

接通電源，對數(shù)碼管的數(shù)據(jù)端口和公共端口進行引腳分配，確定控制數(shù)碼管顯示內(nèi)容和選擇數(shù)碼管顯示位的芯片端口.建立數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)常數(shù)表以便于后續(xù)查表顯示內(nèi)容.對所使用的端口進行初始化設(shè)置，指定其功能為I/O端口.在前續(xù)工作做好后，便可進行數(shù)據(jù)的處理工作了，將所顯示的數(shù)據(jù)通過查表法在數(shù)碼管顯示出.

圖11　數(shù)碼管顯示流程圖

4系統(tǒng)測試

將該系統(tǒng)緩慢浸入水中，通過直尺測量其入水深度，根據(jù)測量值檢測該系統(tǒng)的準確度并觀察系統(tǒng)入水過程所伴隨的現(xiàn)象.檢測數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　系統(tǒng)深度準確度測試

由表中數(shù)據(jù)可得出，此系統(tǒng)所檢測的水深與實際測量的水深比較誤差小，精確度高.系統(tǒng)效果如圖12所示.

圖12　系統(tǒng)測試效果

5結(jié)語

本設(shè)計以HT66F70A型單片機為核心，利用液位變送器測取液體壓力并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，單片機將該電壓信號轉(zhuǎn)換和處理后判斷汽車是否處于落水狀態(tài).假如汽車處于落水狀態(tài)，則啟動語音報警、點亮呼救燈、顯示汽車在水中的下沉深度，開啟呼吸通道為乘客提供呼吸環(huán)境，并打開車窗為乘客開辟逃生通道.本系統(tǒng)除了可以應用在汽車落水事故中，還可以應用到現(xiàn)今暴雨淹車的情況中.因此，有著廣泛的應用前景.

[參考文獻]

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[5]胡冰，趙陽.20秒語音錄音盒的制作[J].電子制作，2009(5)：24-26.

(責任編輯吳強)

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

[中圖分類號]TP271.5

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2015)05-0081-06

[作者簡介]廖長榮(1979-)，男，重慶潼南人，實驗師，主要從事電子電路設(shè)計方面的研究.

[基金項目]樊安玲(1992-)，女，重慶永川人，主要從事自動化方面的研究.

[收稿日期]2014-10-23