CN106080499A - 一种主动式预紧安全带控制*** - Google Patents
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Abstract
一种主动式预紧安全带控制***，控制板包括电源电路、单片机、电机驱动电路、电磁离合器驱动电路、传感器接口电路、通讯串口电路、BDM下载电路及接口电路。本发明通过采集各预警传感器的信号，利用单片机控制器的逻辑判断确定安全级别，并根据危险程度的不同，输出不同安全级别下的控制命令，来驱动电机控制安全带卷收器卷收次数和安全带织带的拉力值，通过两者不同的组合模式，确定相应的安全级别，确保对驾驶人员起到提醒和保护的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种主动式预紧安全带控制***。
背景技术
当今，安全带已作为成员约束***中的重要组成部分，是被事实证明了的最重要且最有效的安全装置。汽车的安全性能由预知和规避危险、并防止事故于未然的汽车主动安全和当事故发生时防范驾乘人员受到伤害的被动安全组成。安全带主要用来当汽车遇到意外情况紧急制动时，将驾乘人员束缚在座椅上，从而保护驾乘人员免受二次冲撞造成伤害。据国内外多项研究表明，驾驶人的疲劳驾驶和违规操作是导致交通事故的主要原因，占到交通事故总数的75％。通过对驾驶人行车状态的检测和及时向驾驶人提供相关信息，可以有效地减少交通事故的发生。因此，对于安全带的研究对汽车行车安全具有重要意义。特别的，对于安全带在主动安全方面的研究，是具有前瞻性和启迪性的。
传统的三点式安全带和现有的预紧式安全带均属于被动安全的范畴，又由于现有的预紧式安全带是通过内置的爆燃气体发生剂在碰撞发生后才能起到预紧的目的且发生碰撞后装置中的气体发生剂需要及时更换，不能满足主动安全的要求，这样不仅没有很好的起到预知危险、降低危险的功能还大大增加了后期成本。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种主动式预紧安全带控制***，其通过采集各预警传感器的信号，利用单片机控制器的逻辑判断确定安全级别，并根据危险程度的不同，输出不同安全级别下的控制命令，来驱动电机控制安全带卷收器卷收次数和安全带织带的拉力值，通过两者不同的组合模式，确定相应的安全级别，确保对驾驶人员起到提醒和保护的功能。
如上构思，本发明的技术方案是：一种主动式预紧安全带控制***，控制板包括电源电路、单片机、电机驱动电路、电磁离合器驱动电路、传感器接口电路、通讯串口电路、BDM下载电路及接口电路；所述电源电路分别与单片机、电机驱动电路、电磁离合器驱动电路和传感器接口电路连接；所述单片机与BDM下载电路双向连接、与通讯串口电路和接口电路双向通讯，单片机的输出端口连接电机驱动电路和电磁离合器驱动电路，单片机的输入端口通过传感器接口电路接收各种传感器的输出信号。
所述电源电路包括电源输入和电源芯片U1；所述电源输入依次经保险丝F1和二极管D1连接电源芯片U1的Vin+管脚，电源芯片U1的OUTPUT管脚经稳压二极管D4和电感L1输出电源电压。
所述单片机优选飞思卡尔公司生产的16位单片机MC9S12DP256B。
所述电机驱动电路采用摩托罗拉公司生产的电机驱动芯片MC33886，其上串联电流反馈电路；所述电流反馈电路采用霍尔式电流传感器TBC-5PS5，其输出端与单片机连接。
所述电磁离合器驱动电路包括DDL-1.2型电磁离合器、NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C，其中，NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C串联后与电磁离合器连接，控制电磁离合器的开合，在继电器线圈两引脚DCLH+和PGND之间并联了二极管1N4007，NPN型三极管S8050的基极引脚直接与单片机的I/O口相连，通过控制I/O口高低电平的变化来控制电磁离合器的接通与断开。
所述传感器接口电路由TI公司生产的CMOS电压转换器LMC7660芯片与放大器INA333连接组成；LMC7660为INA333提供-5V的电压，使INA333的供电电压为+5V和-5V；放大器INA333的1引脚和8引脚之间所接电阻R3。
所述通讯串口电路采用的是TI公司的MAX232芯片。
所述接口电路包括485总线接口和CAN总线通讯接口；485总线接口采用的芯片是MAX485；CAN总线通讯接口采用的是飞思卡尔公司的TJA1050芯片。
所述控制板上预留了A/D接口直接与单片机的A/D通道引脚相连接。
本发明通过采集各预警传感器的信号，利用单片机控制器的逻辑判断确定安全级别，并根据危险程度的不同，输出不同安全级别下的控制命令，来驱动电机控制安全带卷收器卷收次数和安全带织带的拉力值，通过两者不同的组合模式，确定相应的安全级别，确保对驾驶人员起到提醒和保护的功能。
具有如下有益效果：
1、在电源方面，利用车用蓄电池为整个控制***提供电源，由电源转换电路将蓄电池的12V电压转换为传感器、电机驱动和电磁离合器、单片机所需的电源电压。
2、在信号输入方面，可实时采集各传感器信号，同时通过设置相应的传感器接口电路供单片机识别。
3、在信号处理逻辑运算方面，由单片机统一控制。
4、在通讯方面，采用串口通讯电路，串口能同时控制单片机和液晶屏显示。
5、在驱动方面，由单片机及相应的***驱动电路驱动电机和电磁离合器的运转和通断。
6、在反馈电流方面，主要由电流传感器实时采集通过电机电枢的电流并反馈给单片机，通过调节输出的PWM波电压来调节实际电流大小从而达到对安全带织带的恒力矩控制，电流控制采用闭环反馈和模糊PI控制。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明电源电路原理图；
图3为本发明中BDM下载电路原理图；
图4为本发明中电机驱动电路原理图；
图5为本发明中电流反馈电路原理图；
图6为本发明中电磁离合器驱动电路原理图；
图7为本发明中传感器接口电路原理图；
图8为本发明中按键电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示：一种主动式预紧安全带控制***，包括电源电路、单片机、电机驱动电路、电磁离合器驱动电路、传感器接口电路、通讯串口电路、BDM下载电路及接口电路；电源电路分别与单片机、电机驱动电路、电磁离合器驱动电路和传感器接口电路连接，为整个主动式预紧安全带控制器***提供适合、稳定的电源。单片机负责信号的处理和运算并输出控制信号，是整个控制器的核心。电机驱动电路用于驱动电机满足实际安全带织带卷收要求，电流反馈电路用于实时采集电机电枢的电流信号并进行反馈。电磁离合器驱动电路用于控制电磁离合器的开闭，接通、切断动力传输。传感器接口电路用于对各传感器信号进行处理，方便单片机接收和处理。通讯串口电路用于方便与单片机通讯，接收和发送控制信号。BDM下载电路用于控制程序的下载和在线调试。接口电路用于各个部件和控制器相连接，方便扩展。
如图2所示，所述电源电路包括电源输入、电源芯片U1，所述电源输入依次经电源开关S1、保险丝F1、二极管D1和稳压二极管连接电源芯片U1的Vin+管脚，电源芯片U1的OUTPUT管脚经稳压二极管D4和电感L1输出电源电压；由于为车用安全带控制器，所以电源输入部分采用蓄电池12V输入，12V电源经过保险丝F1和二极管D1进入电源芯片U1，D1的作用是防止使用者将电源接反损坏硬件，F1为3A的保险丝对电路起保护作用，电源芯片U1优选采用LM2576转换芯片，可以将接入的电源电压转换为5V，D4为稳压二极管，是LM2576的***电路组成部分，电感L1为LM2576的***电路组成部件。。电源开关S1和保险丝F1之间还连接有电源指示灯LED，优选为12V电源指示灯。所述电源电路还包括连接在稳压二极管D2和电源芯片U1之间的电容C1、C2，以及与电源电压输出端连接的电容C3，电容C1、C2、C3起到稳压滤波作用，保证5V电压输出的稳定性。
单片机是安全带***控制***的核心，承担了各种传感器信号的逻辑运算处理和发出控制信号控制***正常运作的责任。本发明单片机芯片优选飞思卡尔公司生产的16位单片机，型号为MC9S12DP256B，它的最小***是能使电路正常工作的最小配置***。它的最小***包括：复位电路、时钟电路、调试灯电路和BDM下载接口电路。本发明使用的是MC9S12DP256的标准时钟电路，用的是一个16MHz的无缘外部晶振接在单片机的EXTAL和XTAL引脚上，利用MC9S12DP256的锁相环和压控振荡器可以将这个频率提升到24MHz，作为单片机的内部时钟总线。MC9S12系列单片机复位是低电平有效，这里复位电路与单片机复位引脚相连并采用微动开关的形式可以实现上电复位和手动按键复位，方便电路板功能的调试。最小***电路中加入了调试灯电路，采用发光二极管与单片机I/O口相连，用单片机控制I/O口的电平高低来控制调试灯的亮灭。调试灯电路能使最小***调试方便并验证电路板程序烧写成功与否和芯片运行的流畅性。
BDM下载电路是MC9S12DP256B程序烧写、擦除、控制、调试的专用接口，是目前最普遍的一种调试接口，广泛应用于各种单片机控制器，如图3所示。
MC33886内部集成了H桥电路，工作的电压范围为5V～40V满足安全带控制器工作电压和电机驱动电压要求，具有过载保护和错误报告的功能。电机驱动芯片的作用是将低功率、低电压的PWM信号放大成24V高功率的PWM信号，对直流电机进行控制，驱动电机运转。通过对PWM波占空比的控制，可以实现电机的正反转和转动速度的调节以及电机实际输出扭矩的大小，其本质上是对通过电机电枢电流的方向和大小进行控制。满足智能化预紧式安全带实际工作要求，实现安全带驱动电机的正反转和电机扭矩的调节，从而能实现在不同安全级别下对安全带张力大小的调节。所述电机驱动电路由摩托罗拉公司生产的电机驱动芯片MC33886和其***电路组成，如图4所示。
由于对电机的恒扭矩控制可以近似的看做对通过电机电枢的恒电流控制，因此要对电机电流进行实时采集，又考虑到电机转向为正反转导致电流流向变化，因此电流反馈电路优选为霍尔式的电流传感器，型号为TBC-5PS5，采样电流为5A，传感器内部自带采样电阻，芯片输出的为电压量，输出端1引脚直接与单片机的ADC引脚，电流传感器串联在电机驱动电路上。电流反馈电路如图5所示。
电磁离合器驱动电路作为电机和安全带卷收器的动力传输中介，在实际工作时要求与电机同时运作，即电机转动的同时接通电磁离合器以驱动卷收器运转。选用的DDL-1.2型电磁力合器的额定电压为24V，本发明利用NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C实现开关作用，控制电磁离合器的开合。因为电磁离合器开合时其磁感应线圈切换会产生反向电动势，因此在继电器线圈两引脚DCLH+和PGND之间并联了二极管1N4007，有效地消除了反向电动势对电路的影响，保证电路的稳定可靠运行。S8050的基极引脚直接与单片机的I/O口相连，通过控制I/O口高低电平的变化来控制电磁离合器的接通与断开，起到传递和切断电机动力输出的作用，保证安全带卷收***能够正常运行。电磁离合器驱动电路如图6所示。
由于传感器输出的量通常为模拟量且数值较小，传感器接口电路的作用通常是将传感器采集到的模拟量转换为单片机所能识别的电压值范围。MC9S12DP256AD采集的电压范围为0～5V，所以要将各传感器信号进行放大。
制动踏板力传感器的最大量程为670N，10V供电时满量程输出的信号范围为0～20mv。由于电源的限制，考虑用5V对制动踏板力传感器供电，此时满量程输出的信号范围为0～10mv，为了简化A/D转换时的计算，考虑到将10mv的电压放大500倍达到0～5V。
本发明选用的是TI公司的INA333进行初步放大，INA333是一种低功耗精密仪表放大器，具有良好的精确性。根据1引脚和8引脚之间所接电阻R3的值不同可以将信号放大0～1000倍，通过查阅芯片PDF，当R3为200Ω电阻时芯片的放大倍数为500倍，理论上满足设计要求。用TI公司的仿真软件TINA的进行仿真，输入采用10mv的电压信号，参考电阻为200Ω的电阻，满足实际要求的放大500倍的需要。
但是在电路板硬件试验调试的过程中发现这种单一的比例放大电路实际放大倍数远远不能满足500倍的放大要求，经过调研和进一步的试验，选用了同为TI公司生产的LMC7660芯片与INA333同时使用。LMC7660是一个CMOS电压转换器，能够将10V～1.5V的正电压转换为-1.5V～-10V的负电压，在工作温度和电压范围内，无需外接二极管，具有低静态电流高转换率的特点。LMC7660的作用主要是为INA333提供-5V的电压，使INA333中7引脚和4引脚之间的电压分别为+5V和-5V，此时芯片的电压基准为0V，即INA333的供电电压为+5V和-5V，最大程度的减小了偏压对INA333的影响，实际测量满足放大500倍的要求，电路原理图如图7所示。
本发明采用串口通讯实现安全带控制器与上位机的通讯。通讯串口电路采用的是TI公司的MAX232芯片，MAX232工作电压为5V，作用是实现单片机TTL电平和计算机232电平之间的转换从而达到和上位机通讯的目的，接口采用的是BD9接口。上位机上利用串口助手，通过和232接口的连接可以直接控制单片机完成相关命令，实现了上位机软件仿真的功能。
多种接口电路是满足控制器和各***部件稳固连接的部件，本发明的接口有电机的驱动接口、离合器的驱动接口、超声波传感器接口、制动踏板力传感器接口、液晶屏外接接口，各种接口均根据PCB板大小确定封装和类型。由于MC9S12DP256的数据收发引脚有限，所以采用了用跳帽短接的方法选用232或485总线连接的方式，切换超声波传感器和液晶屏的相应显示状态。
为满足控制器的调试和与各个接口、总线的兼容性，本发明在电路板设计时预留了485总线接口和CAN总线通讯接口，方便后期的调试和实车试验。RS485总线是一种常见的串行总线标准，采用平衡发送与差分接受的方式，因此具有抑制共模干扰的能力，实际通讯距离能达到3000米左右，在多节点的工作***中也有着广泛的应用。485总线通讯采用的芯片是MAX485，主要起到TTL电平和485协议要求电平的转换作用。
随着现代汽车电子控制***和通讯***的增多和对信息传输速度要求越来越高，目前汽车CAN总线已经被广泛应用到现代汽车电子控制***当中。CAN总线作为一种现场总线能实时的共享总线上各节点的信息数据实现同步传输，解决了传统汽车电控***布线复杂占用大量车内空间、信息传输共享速度慢、不便于检修的问题。在通讯速度上CAN总线作为高速总线，通讯的最高速度能达到1MB/s，大大提高了数据和信息的通讯速度，实现了各节点信息的实时共享。为了满足多接口的扩展需要，本发明设计的主动式预紧安全带控制器预留了2个CAN总线数据接口，采用的是飞思卡尔公司的TJA1050芯片，芯片的1、4引脚分别与单片机上的CAN通讯通道引脚相连。
在预警传感器的选用方面，本发明只选用了压力传感器和超声波传感器传感器。但是智能化行车安全***需要的是采集各种传感器的信号，在ECU内进行综合的逻辑判断来提供和保证最好的安全性能。本发明设计的控制器板上特预留了A/D接口，直接与单片机的A/D通道引脚相连接，方便后续开发设计时加入多路传感器信号。
本发明设计的主动式预紧安全带在控制策略上确定了三个安全级别，在不同的安全级别下，单片机发出不同的控制信号驱动电机完成相应的动作。在实际控制时，采用上位机串口通讯控制、液晶屏触摸控制，软件流程控制，和硬件按钮手动控制多种控制方法，方便观察和实验，因此在控制器设计时加入了按键电路，方便手动硬件仿真和调试。如图8所示。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种主动式预紧安全带控制***，其特征在于，控制板包括电源电路、单片机、电机驱动电路、电磁离合器驱动电路、传感器接口电路、通讯串口电路、BDM下载电路及接口电路；所述电源电路分别与单片机、电机驱动电路、电磁离合器驱动电路和传感器接口电路连接；所述单片机与BDM下载电路双向连接、与通讯串口电路和接口电路双向通讯，单片机的输出端口连接电机驱动电路和电磁离合器驱动电路，单片机的输入端口通过传感器接口电路接收各种传感器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述电源电路包括电源输入和电源芯片U1；所述电源输入依次经保险丝F1和二极管D1连接电源芯片U1的Vin+管脚，电源芯片U1的OUTPUT管脚经稳压二极管D4和电感L1输出电源电压。
3.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述单片机优选飞思卡尔公司生产的16位单片机MC9S12DP256B。
4.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述电机驱动电路采用摩托罗拉公司生产的电机驱动芯片MC33886，其上串联电流反馈电路；所述电流反馈电路采用霍尔式电流传感器TBC-5PS5，其输出端与单片机连接。
5.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述电磁离合器驱动电路包括DDL-1.2型电磁离合器、NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C，其中，NPN型三极管S8050和继电器SRD-05VDC-SL-C串联后与电磁离合器连接，控制电磁离合器的开合，在继电器线圈两引脚DCLH+和PGND之间并联了二极管1N4007，NPN型三极管S8050的基极引脚直接与单片机的I/O口相连，通过控制I/O口高低电平的变化来控制电磁离合器的接通与断开。
6.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述传感器接口电路由TI公司生产的CMOS电压转换器LMC7660芯片与放大器INA333连接组成；LMC7660为INA333提供-5V的电压，使INA333的供电电压为+5V和-5V；放大器INA333的1引脚和8引脚之间所接电阻R3。
7.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述通讯串口电路采用的是TI公司的MAX232芯片。
8.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述接口电路包括485总线接口和CAN总线通讯接口；485总线接口采用的芯片是MAX485；CAN总线通讯接口采用的是飞思卡尔公司的TJA1050芯片。
9.根据权利要求1所述的主动式预紧安全带控制***，其特征在于：所述控制板上预留了A/D接口直接与单片机的A/D通道引脚相连接。
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