一种客车燃爆应急处理系统的设计

黄祥莉，张宣，黎金华，韦锦璐，何梓茵

（桂林航天工业学院 汽车工程学院，广西桂林，541004）

0 前言

随着社会不断发展，公众出行距离变长，客车、公交车等公共交通工具也早已进入公众视野，公共交通工具可减少交通压力，节约出行成本，降低总体污染排放，国家政策也鼓励低碳出行，越来越多的新能源公共出行交通工具也应运而生，客车、公交车等给出行带来的好处显而易见，但公共交通一旦遇到突发事件，由于城市公交车大多行驶在城市主干道，汽车车流量大，并且车厢的结构紧凑、人员的拥挤等，会造成更大的生命、财产损失[1,2]。比如车辆外部撞击、电器设备故障因素，甚至车内人员故意纵火等都有可能引发火灾，导致客车燃爆事件的发生，乘员除了通过灭火器灭火、跳窗、打开应急阀门逃生等措施外，一套燃爆应急处理系统装置的存在，能够实时检测客车或公交车车厢内的环境状况，防患于未然，在发生火灾之前提前发出警报，给车上人员提供逃生的黄金时间，减少车内乘员生命财产的损失，避免燃爆危及周边车辆和人员的生命财产安全，能为乘员争取更宝贵的逃生时间[3～5]。

1 系统设计方案

本系统设计通过四个信号采集传感器（温度、烟雾、可燃气体、火焰），采集相关数据后，经过A/D 转换电路对采集到的信息进行模数转换处理后，送至单片机控制器，系统通过预先设定的阈值判定客车或公交车内可能存在火灾发生情况后，将立即启动声光报警信号告知司机乘客、开启自动开天窗功能便于车内可燃气体或烟雾颗粒物等排出，且便于车内乘员逃生，与此同时，通过预先设置的短信信息发送相应求救信号至相关部门或人员请求救援。客车燃爆应急处理系统设计方案框图如图1 所示。

图1 系统设计框图

2 硬件电路设计

■2.1 单片机最小系统设计

系统选取STC89C52 作为系统控制主控模块，STC89C52是STC 公司研制的低功耗高性能CMOS8 位微控制器，STC89C52 是一种低电压的高性能COMOS8 芯片，该控制芯片采用了灵活的8 位CPU 和可编程的Flash，为众多的嵌入式应用提供了灵活、高效的解决方案。对该模块进行最小系统设计，包括电源电路，时钟电路和复位电路，其中时钟电路于xtal1 和xtal2 引脚接30pF 电容及频率为11.0592MHz 晶振，形成自激振荡器；复位电路设计包括上电复位和按键复位，接至RST 引脚，保证系统运行时候的初始化；电源电路通过5V 电源适配器供给，电源和地分别接至单片机的VCC 引脚和VSS 引脚。

■2.2 信号采集模块

信号采集模块作为整个系统的传感器部分，其电路能否准确采集相关数据尤为重要。系统信号电路原理图如图2所示。信号采集模块包括远红外火焰传感器、DS18B20 温度传感器、MQ-4 可燃气体传感器以及MQ-2 烟雾传感器。其中图2(a)为远红外火焰传感器，可探测760～1100nm 的波长范围内的火源或光源，其检测精度可调，检测角度达60°，电路中2 号针脚为其信号输出端。图2(b)为MQ-2 型烟雾感应器设计电路图，该型传感器对烟雾，氢气，甲烷，酒精等较为敏感，接触烟气时，烟气将导致颗粒间界面的势垒发生改变，进而表面导电性能发生改变，随着烟气浓度的增加，其导电性能也随之降低，该传感器硬件有4 个接口，除去电源和接地外，输出信号可为模拟量，也可为数字量，其中AO 端子为模拟输出端，本设计选取该端口作为烟雾信号输出端，再通过AD 转换器将信号转换送至单片机作为烟雾信号的输入。图2(c)为DS18B20 温度传感器电路模块，可将温度信号直接转为数字信号，方便快捷，测量精度较高，为±0.5℃，稳定性较好，且该模块内置上拉电阻，其中图中的2 号针脚为数字信号输出端。图2(d)图为MQ-4 型气体传感器模块电路，当周围环境存在易燃气体时，其导电性能会随之升高，可燃气体浓度越浓，导电性能越好，该模块电路有4 个针脚，除去电源和接地端，同时能输出模拟信号和数字量信号，为了系统处理的方便性，本设计选取数字信号，即2 号引脚端作为可燃气体的信号输出端。

■2.3 车窗电机模块电路设计

本设计采用电机来模拟车窗自动破除装置，选取额定电压为3～6V 的直流减速电机作为模拟装置，该类型电机具有较好的磁芯及碳刷材质，材料较为环保，抗干扰能力强，能更可靠地与控制系统相连接。对该类型电机驱动电路进行设计，其电机驱动电路图如图3 所示，选取L9110H 作为装置驱动模块，电路图中2、3 号引脚为电源端VCC，5、8 号引脚为接地端VSS，单片机输出信号接至6、7 号引脚IA、IB，模块驱动后，经1、4 号引脚OA、OB 输出实现电机驱动运行。

图3 电机驱动电路设计图

■2.4 短信模块电路

为了进一步保证乘员生命财产安全，装置检测出火情后将及时通过短信形式通知相关部门获取尽快救援。选取SIM900A 作为通信模块，在调试初期能通过USB 接口提供电源，因为内置的容量较大，长时间传输的数据会消耗大量的能量，所以直接采用1A 或更高的电流。TTL 级的串行接口可接3.3V、5V 的电压，能与单片机直接相连，实现无人值班场景的远程重置，而且，在连接逆向供电的情况下，也不会损坏线路板，让设计者更为放心，其支持短信、上网、彩信等功能。短信模块电路设计图如图4 所示，除去电源和接地，1、2 号端子分别接至控制模块的P3.0 和P3.1 引脚，作为报警短信信号的接收和发送端。

■2.5 显示模块

系统选取液晶显示模块LCD1602A 作为信息显示模块，该模块一般用于显示字母、数字、符号等，该系统包括：显示资料缓冲区、字符发生器CGROM、字符发生器CGRAM。具有多种指示功能：清显示，游标回原点，显示开关，游标开关，显示字符闪烁，游标移动等。采用4 比特和8比特的数据传送模式，内置电源自动重置回路，可对模块进行初始化，设定为预设工作状态，显示清晰，价格便宜。本系统用于包括实时显示的温度、烟雾值、温度阈值、烟雾阈值等，通过相关按键模块进行显示页面的切换、阈值的调整，根据相关传感器的安装位置调整不同阈值，以适应不同大小的车厢。该模块共16 针脚，包括电源正负极，背光亮度调整端子，寄存器选择端，读写信号线端，使能端以及信号输入端。该显示器显示直观，使用方便。

3 软件设计

系统软件设计流程图如图5 所示，对各模块进行初始化，按键模块用于设定烟雾、温度等的报警阈值以及显示界面的切换。显示界面根据传感器回传数据，实时显示温度、烟雾值等相关参数，系统对实时数据（可燃气体、温度、烟雾、火焰）与设定阈值进行比对，任何一个数据超出设定范围，则判定可能存在火灾情况，迅速输出信号给相关执行器，包括破除车窗、发送短信、及时报警等。

图5 软件处理流程图

4 实物测试与分析

燃爆应急处理系统实物如图6 所示，系统上电，显示系统显示值为预设值与实际值。为测试其有效性，用打火机对其进行火焰靠近、将烟雾靠近、温度提升、可燃物释放（不点燃火机），报警系统均能有效启用，电机能够正常运行，短信能够正常发送，证明了系统设计的有效性。图6 中进行的是烟雾测试，通过按键设定烟雾报警阈值为40，释放烟雾之后，显示器中显示的烟雾值持续上升，上升至40 后（图中显示器显示为44，已超过阈值），各执行器均能够有效运行，如声光报警装置正常运行，手机能够接收到火情信号，预留手机收到的短信信号如图7 所示。在实物测试中，本系统的四大传感器均可以正常检测，特别是检测火焰信号和可燃气体信号，系统从检测到发出报警，反应灵敏，符合设计要求。

图6 系统实物图

图7 火灾预警短信接收图

5 结论

本文应用STC89C52 单片机对公共交通燃爆应急处理系统进行了设计，该设计可对车厢内相关可燃气体、火灾情况等进行实时监测，可根据交通工具空间大小，装置布置的位置不同，进行相关判定火灾条件阈值设定，相关信息能够在LCD 屏上实时显示，乘员能够通过屏幕了解车厢内空气状况。当燃气发生泄漏或出现失火情况时，该系统能够第一时间发出声光警报，及时提醒乘员，可启动车窗破除装置，并能够通过GPRS 模块，将火灾预警情况发送至相关部门请求救援，通过实验证明，该装置在信息的采集以及执行器动作的有效性、灵敏性，在一定程度上能够有效减少驾驶员及乘员的生命财产损失。