摘 要： 為了保證駕乘人員行車時的安全，提出了一種基于單片機的可自動系解的智能安全帶的設計和實現方案。該裝置以單片機AT89S52為控制核心，通過傳感器檢測和按鍵控制，利用L298N來控制步進電機的正反轉和停止，實現安全帶的收緊、鎖定、解除等動作。另外，抽拉式安全帶采用預收緊和拉力限制裝置，以及微碰開關，可實現及時收緊、適度放松和防過卷等功能。
關鍵詞： AT89S52; 安全帶; 自動鎖定; 步進電機
0 引言
現今，機動車的數量越來越多，安全帶是司機在車輛駕駛過程中的生命保障，被給予的重視也越來越多。由于一些司機不好的習慣，不主動系安全帶，在突發交通事故時將導致非常嚴重的后果[1]。統計表明，不系安全帶是造成道路交通死亡事故的第三大原因，僅次于超速行駛和酒后駕駛。因此，研究設計一種可以自動為司機上鎖的安全帶，降低交通事故對司機造成的傷害，有著非常大的實用意義。
隨著電子技術的發展，單片機以其體積小、功能強、功耗低的特點在現實生活中廣泛應用[2]。本著實用、可靠、安全、簡潔及經濟等原則，設計開發了基于單片機的智能控制安全帶系解裝置[3]，當機動車一開始點火時給駕乘人員自動系上安全帶；當要解開時，只要熄火或按下按鈕即可。
三點式安全帶在時速50 km/h的碰撞中，獲救率達50%[4]。此外，在機械結構方面的巧妙設計，利用電機的牽引作用[5]使得安全帶自動完成上鎖，這也使得自動安全帶更具有合理性和普遍適用性，可以在很多機動車輛中推廣使用，不受車型的限制，有很廣闊的市場前景。
1 系統設計原理及其總體方案
機動車智能安全帶系統的設計需具體實現以下功能原理：插鑰匙上電，即當機動車一開始點火時本裝置的傳感器工作，安全帶鎖舌通過掛銷在電機牽引下，沿著設計的軌道，與鎖扣契和，無需駕乘人員動手即可自動幫駕乘人員系上安全帶，當要解開時，只要熄火或一按按鈕即可；通過滑道兩端的微碰開關，實現防過卷；利用直流電機正反轉實現安全帶鎖定和解除的控制。
1.1 系統總體方案
基于單片機的機動車智能型安全帶的控制系統結構框圖如圖1所示。
其中，以單片機AT89S52為控制核心，通過單片機發送相應的信號給驅動模塊，采用L298N芯片控制直流電機正反轉和停止，從而控制安全帶的收緊、鎖定、解除等動作；控制按鍵1和2分別產生控制電機正轉和反轉的信號給單片機；采用微碰開關實現起點、終點電機自動停止來防止安全帶的過卷；5 V穩壓模塊與單片機相連接，可為控制系統提供電源；紅外接近傳感器和熱釋電傳感器檢測到有人時則產生相應的電平信號給單片機，安全帶啟動。
1.2 單片機最小系統
本裝置最重要的元件是單片機控制中心AT89S52，它是ATMEL所生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統可編程Flsah存儲器。S系列的是能用下載線進行在線編程的ISP，使用簡單的HC244電路，就可以通過電腦上面的程序來對單片機進行編程，無須拆下來放到笨重的編程器上面寫片子。
單片機外圍線路主要包括時鐘電路、復位電路和按鍵電路。
1.3 紅外接近傳感器
紅外接近傳感器的工作原理是利用傳感器的紅外發射頭對外發射一定頻率的紅外線。由于前方物體的阻擋而導致紅外線的反射，通過其中間的時間差進而可以求出前方物體的距離[6]。
結合應用的具體需要，本系統采用E18-80NK紅外接近傳感器，檢測到目標時是低電平輸出，正常狀態是高電平輸出。此紅外開關傳感器是一種集發射和接收為一體的反射式光電傳感器，該傳感器具有探測距離遠、可調節測量范圍、不用外加調制信號、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。
1.4 熱釋電傳感器
熱釋電傳感器HC-SR501根據菲涅耳原理制成，全自動感應，當有人進入其感應范圍時輸出高電平，人離開感應范圍時自動延時關閉高電平，輸出低電平。傳感器的各項參數表明此傳感器可以方便與各類電路實現對接，適用于本系統。
如圖2所示為熱釋電傳感器外接圖，1和3分別接電源正負極，2可接單片機。
1.5 步進電機
步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。它可以直接接受數字信號，不需要進行數字與模擬量的轉換，具有高精度快速啟停能力。步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的、多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的多相時序控制器。
此系統選用兩相四線制步進電機，由兩組線圈構成，其中，紅綠為一組，紅藍為一組。步進電機的驅動電路將電脈沖信號轉化為角位移來控制，改變相序可以改變轉向，實現正反轉；調節脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉速。
1.6 電機控制模塊
電機控制是通過L298N來控制的。電機的正反轉都由L298N的不同輸出來控制[7]。L298N是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。可以方便地驅動一個兩相步進電機。L298N與步進電機連接示意圖如圖3所示。
表 1 是 L298N 邏輯功能表。由表 1 可知 EnA(B) 為低電平時，輸入電平對電機控制不起作用；當 EnA(B) 為高電平時，In1、In2(In3，In4)輸入電平為一高一低，電機正轉或反轉；In1、In2(In3，In4)同為低電平電機停止，同為高電平電機快速停止。
1.7 防過卷模塊
微碰開關是一種尺寸很小而又非常靈敏的彈簧引動的磁吸附式行程開關。它具有微小接點間隔和快動機構，用規定的行程和規定的力實現開關動作的接點機構，用外殼覆蓋，其外部有驅動桿。
因該設計的智能安全帶是通過電機帶動的，所以這里需要放置兩個微碰開關在安全帶滑道前端和末端，用于檢測安全帶的運行狀態。當安全帶運行到起點或終點時，能夠自動發送信號關閉電機，從而防止電機由于長時間通電而損壞[8]。
2 機械結構的設計
本系統使用的抽拉式安全帶系統采用與常規安全帶[9]對稱的安裝方式，即司機座位的右上方、右下方和左下方，通過固定右端，改變左邊安全帶的位置實現安全帶的上鎖解鎖功能。這樣既能做到了不妨礙車輛的美觀，又不妨礙司機的上下車，同時又能完成既定的自動上鎖功能。
2.1 抽拉式安全帶簡介
抽拉式安全帶都設有預收緊裝置和拉力限制器。當事故發生時，理想的安全帶作用過程是：首先，及時收緊，在事故發生的第一時刻毫不猶豫地把人“按”在座椅上；然后，適度放松，待沖擊力峰值過去，或人已能受到氣囊的保護時，即適當放松安全帶，避免因拉力過大而使人肋骨受傷。
2.1.1 預收緊裝置
預收緊裝置負責提供瞬間繃緊的安全帶，目的是防止乘員身體前沖與方向盤、儀表板等發生碰撞而造成傷害，從感知事故到完成安全帶預收緊的全過程僅持續千分之幾秒[10]。其作用過程是：首先由一個探頭負責收集撞車信息，然后釋放出電脈沖，該脈沖傳遞到氣體發生器上，引爆氣體。爆炸產生的氣體壓力使球動，球帶動棘爪盤轉，棘爪盤帶動軸轉，瞬間實現安全帶的預收緊功能。棘爪盤與軸連為一體，安全帶就繞在軸上。
2.1.2 拉力限制器
事故發生后，安全帶在預收緊裝置的作用下，已經繃緊了。但希望在受力峰值過去后，安全帶的張緊力度馬上降低，以減小乘員受力，這項功能就由安全帶拉力限制器來完成：卷繞著安全帶的軸芯里邊是一根鋼質扭轉棒，當負荷達到預定情況時，扭轉棒開始扭曲，這樣就在一定程度上放松了安全帶，實現了安全帶的拉力限制功能。
在安全帶預收緊裝置和拉力限制器的共同作用下，可以配合安全氣囊瞬間完成緊、松、緊三個動作，緩解胸腔壓力，有效保護駕乘人員的胸部，保護能力幾乎達到了理想狀態，可降低交通事故對司機造成的傷害程度。
2.2 車載安全帶滑道設計介紹
滑道需安裝于車頂貼近車門的邊緣，前端長度以使安全帶稍高于方向盤的高度為宜，滑道末端需要到達傳統安全帶固定處。滑道的材料選擇了便于彎折、裁剪和固定的復合材料，滑道中間的彎折角度及固定點可以根據需要自行調整，有較強的適用性。
如圖4所示，在滑道上安裝一個滑塊，由電機驅動，牽引安全帶沿滑道運動。滑道末端需安裝一個電子鎖扣裝置，在檢測到安全帶滑動到末端時會自動鎖死安全帶。
3 系統軟件設計
如圖5所示為系統軟件功能流程圖。單片機上電后對電機驅動程序進行初始化，然后檢測安全帶是否位于初始位置，如果位于初始位置，則開始自動執行滑動并鎖扣安全帶的動作；如果不在初始位置，則先將安全帶牽引至初始位置。進一步判斷座位上是否有人，如果有人，則牽引安全帶滑動，并掃描按鍵，到達終點時，鎖定安全帶；如果沒有人則不斷檢測傳感器狀態，并進行按鍵掃描。
4 結論
本系統以司機座位為例，對安全帶自動上鎖過程進行了詳盡分析，經過多次軟硬件綜合測試，系統能夠完成預期的功能，通過傳感器對各種情況進行不同返回值的判斷，將安全帶鎖舌掛銷在電機牽引下，沿著設計的軌道與鎖扣契和，實現對乘車人員的自動上鎖動能；當要解開時，只要熄火或一按按鈕即可。
在機動車輛日益增多的今天，本設計可解決行車時駕乘人員不按規定使用安全帶的問題，降低交通事故對司機造成的傷害，有非常大的現實意義和實用價值。
參考文獻
[1] Brasel K J,Quickel R,Yoganandan N, et al.Seat belts are more effective than airbags in reducing thoracic aortic injury in frontal motor vehicle crashes.[J].The Journal of Trauma-Injury, Infection, and Critical Care,2002,53(2):309-313.
[2] 郭天祥. 51單片機C語言教程[M]. 北京:電子工業出版社, 2010.
[3] 韓力群. 智能控制理論及應用[M]. 北京:機械工業出版社, 2007.
[4] 余義. 預緊式安全帶防護效率研究[D]. 武漢:武漢理工大學, 2012.