一種主動式預緊安全帶控制系統的制作方法
【專利摘要】一種主動式預緊安全帶控制系統，控制板包括電源電路、單片機、電機驅動電路、電磁離合器驅動電路、傳感器接口電路、通訊串口電路、BDM下載電路及接口電路。本發明通過采集各預警傳感器的信號，利用單片機控制器的邏輯判斷確定安全級別，并根據危險程度的不同，輸出不同安全級別下的控制命令，來驅動電機控制安全帶卷收器卷收次數和安全帶織帶的拉力值，通過兩者不同的組合模式，確定相應的安全級別，確保對駕駛人員起到提醒和保護的功能。
【專利說明】
一種主動式預緊安全帶控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種主動式預緊安全帶控制系統。
【背景技術】
[0002]當今，安全帶已作為成員約束系統中的重要組成部分，是被事實證明了的最重要且最有效的安全裝置。汽車的安全性能由預知和規避危險、并防止事故于未然的汽車主動安全和當事故發生時防范駕乘人員受到傷害的被動安全組成。安全帶主要用來當汽車遇到意外情況緊急制動時，將駕乘人員束縛在座椅上，從而保護駕乘人員免受二次沖撞造成傷害。據國內外多項研究表明，駕駛人的疲勞駕駛和違規操作是導致交通事故的主要原因，占到交通事故總數的75%。通過對駕駛人行車狀態的檢測和及時向駕駛人提供相關信息，可以有效地減少交通事故的發生。因此，對于安全帶的研究對汽車行車安全具有重要意義。特別的，對于安全帶在主動安全方面的研究，是具有前瞻性和啟迪性的。
[0003]傳統的三點式安全帶和現有的預緊式安全帶均屬于被動安全的范疇，又由于現有的預緊式安全帶是通過內置的爆燃氣體發生劑在碰撞發生后才能起到預緊的目的且發生碰撞后裝置中的氣體發生劑需要及時更換，不能滿足主動安全的要求，這樣不僅沒有很好的起到預知危險、降低危險的功能還大大增加了后期成本。
【發明內容】
[0004]為了解決上述現有技術的不足，本發明提供一種主動式預緊安全帶控制系統，其通過采集各預警傳感器的信號，利用單片機控制器的邏輯判斷確定安全級別，并根據危險程度的不同，輸出不同安全級別下的控制命令，來驅動電機控制安全帶卷收器卷收次數和安全帶織帶的拉力值，通過兩者不同的組合模式，確定相應的安全級別，確保對駕駛人員起到提醒和保護的功能。
[0005]如上構思，本發明的技術方案是:一種主動式預緊安全帶控制系統，控制板包括電源電路、單片機、電機驅動電路、電磁離合器驅動電路、傳感器接口電路、通訊串口電路、BDM下載電路及接口電路;所述電源電路分別與單片機、電機驅動電路、電磁離合器驅動電路和傳感器接口電路連接;所述單片機與BDM下載電路雙向連接、與通訊串口電路和接口電路雙向通訊，單片機的輸出端口連接電機驅動電路和電磁離合器驅動電路，單片機的輸入端口通過傳感器接口電路接收各種傳感器的輸出信號。
[0006]所述電源電路包括電源輸入和電源芯片Ul;所述電源輸入依次經保險絲Fl和二極管Dl連接電源芯片Ul的Vin+管腳，電源芯片Ul的OUTPUT管腳經穩壓二極管D4和電感LI輸出電源電壓。
[0007]所述單片機優選飛思卡爾公司生產的16位單片機MC9S12DP256B。
[0008]所述電機驅動電路采用摩托羅拉公司生產的電機驅動芯片MC33886，其上串聯電流反饋電路;所述電流反饋電路采用霍爾式電流傳感器TBC-5PS5，其輸出端與單片機連接。
[0009]所述電磁離合器驅動電路包括DDL-1.2型電磁離合器、NPN型三極管S8050和繼電器SRD-05VDC-SL-C，其中，NPN型三極管S8050和繼電器SRD-05VDC-SL-C串聯后與電磁離合器連接，控制電磁離合器的開合，在繼電器線圈兩引腳DCLH+和PGND之間并聯了二極管1N4007，NPN型三極管S8050的基極引腳直接與單片機的I/O口相連，通過控制I/O口高低電平的變化來控制電磁離合器的接通與斷開。
[0010]所述傳感器接口電路由TI公司生產的CMOS電壓轉換器LMC7660芯片與放大器INA333連接組成;LMC7660為INA333提供-5V的電壓，使INA333的供電電壓為+5V和-5V;放大器INA333的I引腳和8引腳之間所接電阻R3。
[0011 ] 所述通訊串口電路采用的是TI公司的MAX232芯片。
[0012]所述接口電路包括485總線接口和CAN總線通訊接口 ；485總線接口采用的芯片是MAX485;CAN總線通訊接口采用的是飛思卡爾公司的TJA1050芯片。
[0013]所述控制板上預留了A/D接口直接與單片機的A/D通道引腳相連接。
[0014]本發明通過采集各預警傳感器的信號，利用單片機控制器的邏輯判斷確定安全級另IJ，并根據危險程度的不同，輸出不同安全級別下的控制命令，來驅動電機控制安全帶卷收器卷收次數和安全帶織帶的拉力值，通過兩者不同的組合模式，確定相應的安全級別，確保對駕駛人員起到提醒和保護的功能。
[0015]具有如下有益效果:
[0016]1、在電源方面，利用車用蓄電池為整個控制系統提供電源，由電源轉換電路將蓄電池的12V電壓轉換為傳感器、電機驅動和電磁離合器、單片機所需的電源電壓。
[0017]2、在信號輸入方面，可實時采集各傳感器信號，同時通過設置相應的傳感器接口電路供單片機識別。
[0018]3、在信號處理邏輯運算方面，由單片機統一控制。
[0019]4、在通訊方面，采用串口通訊電路，串口能同時控制單片機和液晶屏顯示。
[0020]5、在驅動方面，由單片機及相應的外圍驅動電路驅動電機和電磁離合器的運轉和通斷。
[0021]6、在反饋電流方面，主要由電流傳感器實時采集通過電機電樞的電流并反饋給單片機，通過調節輸出的PWM波電壓來調節實際電流大小從而達到對安全帶織帶的恒力矩控制，電流控制采用閉環反饋和模糊PI控制。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的原理框圖；
[0023]圖2為本發明電源電路原理圖；
[0024]圖3為本發明中BDM下載電路原理圖；
[0025]圖4為本發明中電機驅動電路原理圖；
[0026]圖5為本發明中電流反饋電路原理圖；
[0027]圖6為本發明中電磁離合器驅動電路原理圖；
[0028]圖7為本發明中傳感器接口電路原理圖；
[0029]圖8為本發明中按鍵電路原理圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的說明。
[0031]如圖1所示:一種主動式預緊安全帶控制系統，包括電源電路、單片機、電機驅動電路、電磁離合器驅動電路、傳感器接口電路、通訊串口電路、BDM下載電路及接口電路；電源電路分別與單片機、電機驅動電路、電磁離合器驅動電路和傳感器接口電路連接，為整個主動式預緊安全帶控制器系統提供適合、穩定的電源。單片機負責信號的處理和運算并輸出控制信號，是整個控制器的核心。電機驅動電路用于驅動電機滿足實際安全帶織帶卷收要求，電流反饋電路用于實時采集電機電樞的電流信號并進行反饋。電磁離合器驅動電路用于控制電磁離合器的開閉，接通、切斷動力傳輸。傳感器接口電路用于對各傳感器信號進行處理，方便單片機接收和處理。通訊串口電路用于方便與單片機通訊，接收和發送控制信號。BDM下載電路用于控制程序的下載和在線調試。接口電路用于各個部件和控制器相連接，方便擴展。
[0032]如圖2所示，所述電源電路包括電源輸入、電源芯片Ul，所述電源輸入依次經電源開關S1、保險絲Fl、二極管Dl和穩壓二極管連接電源芯片Ul的Vin+管腳，電源芯片Ul的OUTPUT管腳經穩壓二極管D4和電感LI輸出電源電壓；由于為車用安全帶控制器，所以電源輸入部分采用蓄電池12V輸入，12V電源經過保險絲Fl和二極管Dl進入電源芯片Ul，D1的作用是防止使用者將電源接反損壞硬件，Fl為3A的保險絲對電路起保護作用，電源芯片Ul優選采用LM2576轉換芯片，可以將接入的電源電壓轉換為5V，D4為穩壓二極管，是LM2576的外圍電路組成部分，電感LI為LM2576的外圍電路組成部件。。電源開關SI和保險絲Fl之間還連接有電源指示燈LED，優選為12V電源指示燈。所述電源電路還包括連接在穩壓二極管D2和電源芯片Ul之間的電容Cl、C2，以及與電源電壓輸出端連接的電容C3，電容C1、C2、C3起到穩壓濾波作用，保證5V電壓輸出的穩定性。
[0033]單片機是安全帶系統控制系統的核心，承擔了各種傳感器信號的邏輯運算處理和發出控制信號控制系統正常運作的責任。本發明單片機芯片優選飛思卡爾公司生產的16位單片機，型號為MC9S12DP256B，它的最小系統是能使電路正常工作的最小配置系統。它的最小系統包括:復位電路、時鐘電路、調試燈電路和BDM下載接口電路。本發明使用的是MC9 S12DP 2 5 6的標準時鐘電路，用的是一個16MHz的無緣外部晶振接在單片機的EXTAL和XTAL引腳上，利用MC9S12DP256的鎖相環和壓控振蕩器可以將這個頻率提升到24MHz，作為單片機的內部時鐘總線。MC9S12系列單片機復位是低電平有效，這里復位電路與單片機復位引腳相連并采用微動開關的形式可以實現上電復位和手動按鍵復位，方便電路板功能的調試。最小系統電路中加入了調試燈電路，采用發光二極管與單片機I/O 口相連，用單片機控制I/O 口的電平高低來控制調試燈的亮滅。調試燈電路能使最小系統調試方便并驗證電路板程序燒寫成功與否和芯片運行的流暢性。
[0034]BDM下載電路是MC9S12DP256B程序燒寫、擦除、控制、調試的專用接口，是目前最普遍的一種調試接口，廣泛應用于各種單片機控制器，如圖3所示。
[0035]MC33886內部集成了 H橋電路，工作的電壓范圍為5V?40V滿足安全帶控制器工作電壓和電機驅動電壓要求，具有過載保護和錯誤報告的功能。電機驅動芯片的作用是將低功率、低電壓的PWM信號放大成24V高功率的PffM信號，對直流電機進行控制，驅動電機運轉。通過對PWM波占空比的控制，可以實現電機的正反轉和轉動速度的調節以及電機實際輸出扭矩的大小，其本質上是對通過電機電樞電流的方向和大小進行控制。滿足智能化預緊式安全帶實際工作要求，實現安全帶驅動電機的正反轉和電機扭矩的調節，從而能實現在不同安全級別下對安全帶張力大小的調節。所述電機驅動電路由摩托羅拉公司生產的電機驅動芯片MC33886和其外圍電路組成，如圖4所示。
[0036]由于對電機的恒扭矩控制可以近似的看做對通過電機電樞的恒電流控制，因此要對電機電流進行實時采集，又考慮到電機轉向為正反轉導致電流流向變化，因此電流反饋電路優選為霍爾式的電流傳感器，型號為TBC-5PS5，采樣電流為5A，傳感器內部自帶采樣電阻，芯片輸出的為電壓量，輸出端I引腳直接與單片機的ADC引腳，電流傳感器串聯在電機驅動電路上。電流反饋電路如圖5所示。
[0037]電磁離合器驅動電路作為電機和安全帶卷收器的動力傳輸中介，在實際工作時要求與電機同時運作，即電機轉動的同時接通電磁離合器以驅動卷收器運轉。選用的DDL-1.2型電磁力合器的額定電壓為24V，本發明利用NPN型三極管S8050和繼電器SRD-05VDC-SL-C實現開關作用，控制電磁離合器的開合。因為電磁離合器開合時其磁感應線圈切換會產生反向電動勢，因此在繼電器線圈兩引腳DCLH+和PGND之間并聯了二極管1N4007，有效地消除了反向電動勢對電路的影響，保證電路的穩定可靠運行。S8050的基極引腳直接與單片機的I/O口相連，通過控制I/O口高低電平的變化來控制電磁離合器的接通與斷開，起到傳遞和切斷電機動力輸出的作用，保證安全帶卷收系統能夠正常運行。電磁離合器驅動電路如圖6所示。
[0038]由于傳感器輸出的量通常為模擬量且數值較小，傳感器接口電路的作用通常是將傳感器采集到的模擬量轉換為單片機所能識別的電壓值范圍。MC9S12DP256AD采集的電壓范圍為O?5V，所以要將各傳感器信號進行放大。
[0039]制動踏板力傳感器的最大量程為670N，1V供電時滿量程輸出的信號范圍為O?20mv。由于電源的限制，考慮用5V對制動踏板力傳感器供電，此時滿量程輸出的信號范圍為O?10mv，為了簡化A/D轉換時的計算，考慮到將1mv的電壓放大500倍達到O?5V。
[0040]本發明選用的是TI公司的INA333進行初步放大，INA333是一種低功耗精密儀表放大器，具有良好的精確性。根據I引腳和8引腳之間所接電阻R3的值不同可以將信號放大O?1000倍，通過查閱芯片TOF，當R3為200 Ω電阻時芯片的放大倍數為500倍，理論上滿足設計要求。用TI公司的仿真軟件TINA的進行仿真，輸入采用1mv的電壓信號，參考電阻為200 Ω的電阻，滿足實際要求的放大500倍的需要。
[0041]但是在電路板硬件試驗調試的過程中發現這種單一的比例放大電路實際放大倍數遠遠不能滿足500倍的放大要求，經過調研和進一步的試驗，選用了同為TI公司生產的LMC7660芯片與INA333同時使用。LMC7660是一個CMOS電壓轉換器，能夠將1V?1.5V的正電壓轉換為-1.5V?-1OV的負電壓，在工作溫度和電壓范圍內，無需外接二極管，具有低靜態電流高轉換率的特點。LMC7660的作用主要是為INA333提供-5V的電壓，使INA333中7引腳和4引腳之間的電壓分別為+5V和-5V，此時芯片的電壓基準為0V，S卩INA333的供電電壓為+5V和-5V，最大程度的減小了偏壓對INA333的影響，實際測量滿足放大500倍的要求，電路原理圖如圖7所示。
[0042]本發明采用串口通訊實現安全帶控制器與上位機的通訊。通訊串口電路采用的是TI公司的MAX232芯片，MAX232工作電壓為5V，作用是實現單片機TTL電平和計算機232電平之間的轉換從而達到和上位機通訊的目的，接口采用的是BD9接口。上位機上利用串口助手，通過和232接口的連接可以直接控制單片機完成相關命令，實現了上位機軟件仿真的功會K。
[0043]多種接口電路是滿足控制器和各外圍部件穩固連接的部件，本發明的接口有電機的驅動接口、離合器的驅動接口、超聲波傳感器接口、制動踏板力傳感器接口、液晶屏外接接口，各種接口均根據PCB板大小確定封裝和類型。由于MC9S12DP256的數據收發引腳有限，所以采用了用跳帽短接的方法選用232或485總線連接的方式，切換超聲波傳感器和液晶屏的相應顯示狀態。
[0044]為滿足控制器的調試和與各個接口、總線的兼容性，本發明在電路板設計時預留了485總線接口和CAN總線通訊接口，方便后期的調試和實車試驗。RS485總線是一種常見的串行總線標準，采用平衡發送與差分接受的方式，因此具有抑制共模干擾的能力，實際通訊距離能達到3000米左右，在多節點的工作系統中也有著廣泛的應用。485總線通訊采用的芯片是MAX485，主要起到TTL電平和485協議要求電平的轉換作用。
[0045]隨著現代汽車電子控制系統和通訊系統的增多和對信息傳輸速度要求越來越高，目前汽車CAN總線已經被廣泛應用到現代汽車電子控制系統當中。CAN總線作為一種現場總線能實時的共享總線上各節點的信息數據實現同步傳輸，解決了傳統汽車電控系統布線復雜占用大量車內空間、信息傳輸共享速度慢、不便于檢修的問題。在通訊速度上CAN總線作為高速總線，通訊的最高速度能達到IMB/s，大大提高了數據和信息的通訊速度，實現了各節點信息的實時共享。為了滿足多接口的擴展需要，本發明設計的主動式預緊安全帶控制器預留了2個CAN總線數據接口，采用的是飛思卡爾公司的TJA1050芯片，芯片的1、4引腳分別與單片機上的CAN通訊通道引腳相連。
[0046]在預警傳感器的選用方面，本發明只選用了壓力傳感器和超聲波傳感器傳感器。但是智能化行車安全系統需要的是采集各種傳感器的信號，在ECU內進行綜合的邏輯判斷來提供和保證最好的安全性能。本發明設計的控制器板上特預留了 A/D接口，直接與單片機的A/D通道引腳相連接，方便后續開發設計時加入多路傳感器信號。
[0047]本發明設計的主動式預緊安全帶在控制策略上確定了三個安全級別，在不同的安全級別下，單片機發出不同的控制信號驅動電機完成相應的動作。在實際控制時，采用上位機串口通訊控制、液晶屏觸摸控制，軟件流程控制，和硬件按鈕手動控制多種控制方法，方便觀察和實驗，因此在控制器設計時加入了按鍵電路，方便手動硬件仿真和調試。如圖8所不O
[0048]以上所述實施例僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制，但凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術方案，均應落在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于，控制板包括電源電路、單片機、電機驅動電路、電磁離合器驅動電路、傳感器接口電路、通訊串口電路、BDM下載電路及接口電路;所述電源電路分別與單片機、電機驅動電路、電磁離合器驅動電路和傳感器接口電路連接;所述單片機與BDM下載電路雙向連接、與通訊串口電路和接口電路雙向通訊，單片機的輸出端口連接電機驅動電路和電磁離合器驅動電路，單片機的輸入端口通過傳感器接口電路接收各種傳感器的輸出信號。2.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述電源電路包括電源輸入和電源芯片Ul;所述電源輸入依次經保險絲Fl和二極管Dl連接電源芯片Ul的Vin+管腳，電源芯片Ul的OUTPUT管腳經穩壓二極管D4和電感LI輸出電源電壓。3.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述單片機優選飛思卡爾公司生產的16位單片機MC9S12DP256B。4.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述電機驅動電路采用摩托羅拉公司生產的電機驅動芯片MC33886，其上串聯電流反饋電路;所述電流反饋電路采用霍爾式電流傳感器TBC-5PS5，其輸出端與單片機連接。5.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述電磁離合器驅動電路包括DDL-1.2型電磁離合器、NPN型三極管S8050和繼電器SRD-05VDC-SL-C，其中，NPN型三極管S8050和繼電器SRD-05VDC-SL-C串聯后與電磁離合器連接，控制電磁離合器的開合，在繼電器線圈兩引腳DCLH+和PGND之間并聯了二極管1N4007，NPN型三極管S8050的基極引腳直接與單片機的I/O 口相連，通過控制I/O 口高低電平的變化來控制電磁離合器的接通與斷開。6.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述傳感器接口電路由TI公司生產的CMOS電壓轉換器LMC7660芯片與放大器INA333連接組成；LMC7660為INA333提供-5V的電壓，使INA333的供電電壓為+5V和-5V;放大器INA333的I引腳和8引腳之間所接電阻R3。7.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述通訊串口電路采用的是TI公司的MAX232芯片。8.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述接口電路包括485總線接口和CAN總線通訊接口 ； 485總線接口采用的芯片是MAX485; CAN總線通訊接口采用的是飛思卡爾公司的TJA1050芯片。9.根據權利要求1所述的主動式預緊安全帶控制系統，其特征在于:所述控制板上預留了 A/D接口直接與單片機的A/D通道引腳相連接。
【文檔編號】B60R16/023GK106080499SQ201610280407
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年4月28日 公開號201610280407.3, CN 106080499 A, CN 106080499A, CN 201610280407, CN-A-106080499, CN106080499 A, CN106080499A, CN201610280407, CN201610280407.3
【發明人】關志偉, 杜峰, 趙宇, 閆光輝
【申請人】天津職業技術師范大學