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1、计算机控制技术课程设计课题题目：汽车安全气囊控制系统设计学生姓名： 学号：学院：目录第一章 绪论11.1 设计背景11.2 设计目的及意义11.3 国内外技术现状11.4 设计内容与技术路线11.4.1 安全气囊控制系统总体方案11.4.2 控制系统硬件11.4.3 控制系统软件流程2第二章 系统整体设计32.1 系统测控对象简介32.1.1 结构32.1.2 设计方案32.2 系统整体结构及工作原理42.2.1 结构框图42.2.2 工作原理42.2.3 各主要部件作用4第三章 系统硬件设计53.1 上位计算机选型53.2 控制器选型53.2.1 单片机选型53.2.2 继电器选型63.3
2、检测控制电路设计63.3.1 加速度测量电路设计73.3.2 点火触发电路设计7第四章 系统软件设计94.1 总体设计94.1.1 软件功能需求分析94.1.2 软件架构94.1.3 开发工具分析94.2 软件各功能模块分析104.2.1 KingView 编写程序10第五章 设计结论145.1 设计过程总结14参考文献15第一章 绪论1.1 设计背景随着我国经济的迅速发展，汽车保有量急剧增加，私家车数量也大幅增多，由私家车引发的交通事故也随之呈现出上升趋势。因此在发生事故时如何保障人身安全就成了我们不得不面对的一个问题，而这时安全气囊的重要性就凸显出来了。安全气囊是一种被动安全装置,是汽车乘
3、员辅助保护系统的重要组成部分。当汽车发生碰撞时,汽车与汽车或汽车与障碍物之间的碰撞称为一次碰撞.一次碰撞后汽车速度将急剧变化,驾驶员和乘员因为惯性向前运动 ,并与车内的转向盘、前挡风玻璃或仪表台等构件发生碰撞 ,这种碰撞称为二次碰撞。调查发现，在车辆事故中,导致驾驶员和乘员遭受伤害的主要原因是二次碰撞。车速越高，惯性就越大,遭受伤害的程度也就越大。安全气囊控制系统的功用是:当汽车遭受碰撞导致车速急剧变化时,传感器将感知到的碰撞信号传输给点火控制器 ,控制器对碰撞的程度进行识别,决定是否发出点火信号,一旦确认发出点火信号 ,气体发生器将在很短的时间内(30ms)产生大量的气体,气囊迅速膨胀,在驾
4、驶员、乘员与车内构件之间迅速铺垫一个气垫, 使驾驶员、乘员头部与胸部压在充满气体的气囊上,利用气囊的阻尼作用来吸收人体惯性力产生的动能,从而减轻人体遭受伤害的程度。如何在较短的时间内及时打开气囊,是安全气囊研制的主要内容 。1.2 设计目的及意义由于目前汽车安全气囊控制系统反应慢、保护不够全面等缺点随着交通事故的发生不断暴露出来，为了完善汽车安全气囊控制系统，提升汽车安全性，更好保障驾驶员与乘员生命财产安全，于是我们在原有汽车安全气囊控制系统的基础上开发新一代汽车安全气囊控制系统，以满足国民不断对汽车安全性的更高要求。1.3 国内外技术现状目前国内外安全气囊控制系统主要有机械式、模拟电子式和智
5、能式几种。机械式和模拟式控制系统,由于结构的局限,灵活性有很大限制,在私家车中的应用正在减少。我们采用带微处理器与数据存储的智能控制系统，使用单片机对传感器(可使用多通道多种传感器 ,这里我们主要使用加速度传感器)测得的信号进行计算,当发生了碰撞且达到一定强度时,输出点火脉冲引爆气体发生器 ,迅速产生大量气体充满气囊。控制系统的算法由软件实现 ,极大地提高了算法灵活性 ,而且具有记录事故信息和与计算机通讯等功能。控制系统是安全气囊系统的大脑 ,控制系统的好坏很大程度上决定了整个安全气囊的性能 ,控制系统设计的难点在于判断是否需要点火 ,以及具体在什么时间点火。目前国际上安全气囊设计必须遵守的一
6、个原则是“5 英寸 30ms 准则。这一准则的根据是气囊充气过程大约需要 30ms,轿车乘员与方向盘之间的距离大约为 12 英寸, 气囊充气后的厚度约 7 英寸. 所以 ,当乘员头部前移 5 英寸这一时刻的前 30m 为最佳点火时间,这就是现在安全气囊点火的“5 英寸 30ms 准则。1.4 设计内容与技术路线1.4.1 安全气囊控制系统总体方案安全气囊控制系统由硬件和软件组成，其中硬件包括单片机、加速度传感器和 PC 机。软件由数据采集与点火控制、串口通讯及数据分析与处理三部分组成。1.4.2 控制系统硬件安全气囊控制系统硬件结构如下图所示：15图 1-1 控制系统硬件图1.4.3 控制系统
7、软件流程图 1-2 控制系统流程图控制系统软件流程如上图所示。单片机的软件有两方面的用途 ,一方面是用于实现汽车碰撞中的实时车载数据采集和安全气囊的点火控制;另一方面是实现车载数据采集系统同微机进行通信。系统自检主要是对安全气囊系统的各部分进行检查,确保在碰撞发生时，气囊能可靠打开。系统自检完毕之后,开始采集加速度值,每 100m 采样一次加速度值,并转存到 FRAM 一定的地址空间中。如果判断发生碰撞 ,继续采集一段时间的加速度值,并保存到 FRAM 中。这样碰撞发生前后的 2 组数据就可以当作黑匣子来进行分析单片机与PC 机之间的数据传输通过各自的通讯程序实现,PC 机给单片机一个指令,单
8、片机确认之后将加速度数据传输给 PC 机,PC 机再进行分析和处理。第二章 系统整体设计2.1 系统测控对象简介2.1.1 结构主要由安全气囊传感器、防撞安全气囊及电子控制装置等组成。驾驶员侧防撞安全气囊装置在方向盘中；乘员侧防撞安全气囊装置一般装在仪表板上。安全气囊传感器分别安装在驾驶室间隔板左、右侧及中部；中部的安全气囊传感器和安全气囊系统与电子控制装置安装在一起。气囊组件主要由安全气囊、气体发生器和点火器等组成。电子控制装置如用来进行数据采集与数据处理、诊断安全气囊的可靠性，保证在达到预设的数值时，及时发出点火信号，而且正时点火，保证驱动气体发生器有足够大的驱动电流等。图 2-1 安全气
9、囊示意图图 2-2 安全气囊内部结构图2.1.2 设计方案现代汽车对安全气囊的要求主要有以下几点：可靠性高 安全稳定灵敏度高有防误爆功能有自诊断功能。为此，汽车安全气囊控制系统采用如下设计方案：选用内置 8 通道 10 位 ADC 的 32 位单片机微处理器，采样速率可达 1M/s，以满足安全气囊需要的精度采用三轴加速度传感器进行水平方向的碰撞判断，其中 X 轴方向测量汽车正面碰撞的加速度，Z 轴方向测量汽车垂直方向的加速度，当汽车高速驶过沟、坎路面时传感器在未发生碰撞时也会产生较大信号导致微处理器误认为发生碰撞，进而发生误爆，为防误爆，当汽车 Z 轴方向产生较大加速度时，安全气囊均设计为不启
10、爆由于单片机的 I/O 口输出的高电平不足以驱动气囊气体发生器，故单片机通过驱动电磁式继电器驱动气囊气体发生器，由于继电器可能对处理器产生干扰，故在继电器周围加抗干扰电路并与光电耦合器配合使用使处理器与触发电路光电隔离当碰撞发生时，安全气囊对儿童不但没有很好的保护作用反而有害，故在触发电路上加装压力感应装置，当感应到无人入座或儿童入座时装置不闭合，防止碰撞发生时安全气囊给儿童造成伤害。2.2 系统整体结构及工作原理2.2.1 结构框图安全气囊控制系统主要由传感器、自检电路、触发电路、通讯电路和报警电路组成，如图 2-3 所示。图 2-3 安全气囊控制系统组成框图2.2.2 工作原理其工作原理为
11、：上电后，系统进行自检，确定触发电路是否可以正常工作。若触发电路存在故障，报警电路可以进行声光报警，表明系统无法正常工作，通知驾驶员及时修理。当自检正常时， 通过 32 位微处理器不断对加速度传感器测得的信号进行采样。当汽车受到一定角度内的高速碰撞时，系统在进过算法确认后，立即触发气囊包内的点火器，气囊迅速充满气体，阻挡驾驶员与汽车构件之间可能发生的碰撞，通过气囊上排气孔的节流阻尼作用来缓冲吸收驾驶员动能，从而达到保护驾驶员的目的。2.2.3 各主要部件作用计算机 PC 的作用是通过 RS232 接口与单片机通信，单片机通过自检电路判断触发电路是否发生故障并将结果通过 PC 显示出来。安全气囊
12、控制系统计算机主机采用单片机，它是整个计算机控制系统的核心，它通过 A/D 转换器接受加速度传感器发送来的信号，按照设计者预先设定的程序，自动进行信息处理、分析和计算， 当确认汽车发生高速碰撞时，通过给触发电路发出一个特定的控制信号，实现对触发电路的自动控制，即是否通过触发电路触发点火器。加速度传感器用于感知汽车是否发生高速碰撞，并将信号输送给单片机处理；触发电路作为执行机构用于接收电流信号以触发点火器，使气囊在短时间内迅速充满气体；自检电路用于判断触发电路是否存在故障。第三章 系统硬件设计3.1 上位计算机选型上位机是指能直接发出操控命令的计算机，一般是 PC 计算机，其屏幕主要用于显示音频
13、信号变化，便于使用者通过观察变化并采取相应动作控制系统。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再将此命令解码成相应时序信号并直接控制相应设备。合适的上位机可以提高程序运行的效率以使系统性能达到最佳。本系统中，上位计算机型选择 MagicBook 2019，下面对其配置进行简单介绍。搭载 AMD 最新锐龙 5 3500U 移动处理器，性能优异；选用 512GB 固态硬盘，容量足够满足系统要求，且能够迅速响应，答复增强系统速度；采用 DDR4 双通道内存设计，搭载 PCIe NVME SSD；显卡配备为 AMD Radeon Vega 8 Graphics 集成显卡；最大支持 32GB DDR4 内
14、存，扩展后可有效提升系统性能；具备 2 个 USB 接口。3.2 控制器选型3.2.1 单片机选型硬件选型是单片机工业设计中承前启后的工作，能否在众多的单片机中挑出一款最适合系统需求的单片机决定了整个系统的合理性及性能的优异性。在硬件设计过程中，因工艺流程、硬件自身限制、用户要求等因素的不同需要选择不同的硬件。在工业运用中，单片机具有很多系列，除了最基本的功能保持一致以外，每个系列的单片机都有各自独特的功能用来满足用户的差异化需求。但同一系列的单片机配置也不尽相同，内部寄存器数量和扩展口的数量是同系列的单片机最大的不同。综上，合理地选择能完全匹配用户要求且性价比最高的单片机是一项异常关键的工作
15、。1. I/O 点数单片机选型中最关键的步骤是精确的计算出输入/输出点数的总需要量，这是衡量单片机性能的技术指标，同时也是影响单片机价格的主要因素之一。汽车的安全气囊要求能在一个极矩的时间内检测到汽车碰撞事故的发生并挖制气囊启爆。为了实现上述目标，要求安全气囊控制系统的微控制器运算能力强、I/O 口充足。基于此，选择高性能的 32 位微控制器。2. 工作温度范围的选择考虑到该系统位于汽车内部，既可能遭受严寒，也可能经历酷暑，故选择工作温度范围在-4085 度的单片机。3.对程序存储容量的估算字节是单片机程序存储器的容量单位。单片机程序所需存储器容量可以预先估算。一般情况下用户程序所需存储的字数可按照如下经验公式来计算:本系统中计算结果如下： 定时器和计数器系统：所需内存字数定时器/计数器数量2 预估计算结果如下：所需内存字数32=6 含有通信接口的系统：所需存储字数通信接口个数300 预估计算结果如下：所需内存字数4300=1200按照第一种方法估算得到所需存储字数=6+1200=1206。根据以上对
