晏平剛　冒興峰　曾惠娜　管豪斌　楊果

摘 要：汽車動力電池火災(zāi)事故因其燃燒速度快，燃燒猛烈、蔓延面積大等特點，易造成施救困難，引起較大人身傷亡與財產(chǎn)損失。本文針對純電動客車，旨在研究、設(shè)計出一款動力電池艙火災(zāi)多級預(yù)警系統(tǒng)，實時采集火災(zāi)特征信號，根據(jù)識別到的火情級別不同，觸發(fā)相應(yīng)預(yù)警。本文從分析系統(tǒng)的功能需求出發(fā)，分別從總體方案設(shè)計、系統(tǒng)硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計三方面具體展開，所設(shè)計的系統(tǒng)將對保障駕乘人員生命及財產(chǎn)安全起到積極作用。

關(guān)鍵詞：純電動客車 動力電池 火災(zāi) 預(yù)警 單片機

Design of Multi-level Fire Early Warning System for Power Battery Compartment of Electric Bus

Yan Pinggang Mao Xingfeng Zeng Huina Guan Haobin Yang Guo

Abstract：Due to the characteristics of fast burning speed， violent burning， and large spreading area， automobile power battery fire accidents are likely to cause difficulty in rescue and cause great personal injuries and property losses. This article aims to study and design a multi-level fire early warning system for power battery compartment of electric bus， which collects fire characteristic signals in real time， and triggers corresponding early warnings based on the different levels of fire identified. This article starts from the analysis of the functional requirements of the system， and specifically expands from three aspects： overall scheme design， system hardware design and software design. The designed system will play a positive role in protecting the lives and property safety of drivers and passengers.

Key words：electric bus， power battery， fire， early warning， single chip

近年來，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，技術(shù)不斷進(jìn)步，新能源汽車迅速普及。純電動客車因其在環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢，正日益成為城市客車的主流。目前，國內(nèi)部分城市的公共交通系統(tǒng)中，純電動客車比例已經(jīng)超過80%。與此同時，由于使用、環(huán)境及電池本身結(jié)構(gòu)、材料等問題，由純電動客車動力電池引發(fā)的火災(zāi)事故時有發(fā)生，易造成較大的人民生命、財產(chǎn)損失。設(shè)計一款針對純電動客車動力電池艙火災(zāi)的多級預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，并能根據(jù)火情及時發(fā)出警示，是非常必要的。

1 系統(tǒng)功能分析

本設(shè)計針對純電動客車動力電池艙火災(zāi)隱患進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)可實時采集動力電池艙內(nèi)與火災(zāi)有關(guān)的物理或化學(xué)參數(shù)，由系統(tǒng)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，達(dá)到閾值時，觸發(fā)多級預(yù)警。

1.1 火災(zāi)參數(shù)實時檢測功能

檢測動力電池艙內(nèi)與火情相關(guān)參數(shù)，如溫度、煙霧和亮光，實現(xiàn)火情的探測功能。

1.2 多級預(yù)警功能

針對不同火情等級，實現(xiàn)多級預(yù)警功能。0級時，動力電池艙內(nèi)正常狀態(tài)，運行指示亮起;1級時，某一傳感器檢測信號超過閾值，則對應(yīng)的預(yù)警燈亮起;2級時，某兩個傳感器檢測信號超過閾值，對應(yīng)預(yù)警燈亮起，同時蜂鳴器報警;3級時，三個傳感器的檢測信號均超過閾值，三個預(yù)警燈同時亮起，并伴隨蜂鳴器報警。

2 總體方案設(shè)計

2.1 方案概況

本系統(tǒng)主要由傳感器、控制模塊及執(zhí)行元件三部分組成。傳感器包含溫度傳感器、煙霧傳感器及光傳感器?？刂茊卧褂脝纹瑱C進(jìn)行開發(fā)。執(zhí)行元件包含預(yù)警燈及蜂鳴器。傳感器采集的信號，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換后傳送至單片機。單片機對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過對比相應(yīng)閾值，輸出控制指令，觸發(fā)預(yù)警燈及蜂鳴器工作。

在本設(shè)計中，溫度傳感器、煙霧傳感器以及光傳感器均安裝于動力電池艙內(nèi)。為減少汽車運行過程中振動對傳感器及控制模塊工作帶來的不利影響，本設(shè)計中元件的選擇以及固定支架的設(shè)計均考慮震動因素。為便于提醒車輛駕乘人員，預(yù)警燈及蜂鳴器安裝于車內(nèi)中控臺處。

2.2 元器件的選型

（1）單片機的選型

本系統(tǒng)需要選用一控制單元。該單元應(yīng)具有工作可靠、反應(yīng)靈敏的特點。結(jié)合選型要求，選用AT89C52單片機。該單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，低電壓、高性能，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，可擦寫Flash空間及RAM空間大小均可滿足本系統(tǒng)要求。

（2）溫度傳感器的選型

動力電池發(fā)生火災(zāi)時，會產(chǎn)生高溫，因此，可選用一個溫度傳感器來檢測動力電池艙內(nèi)的溫度情況。要求該傳感器的檢測范圍應(yīng)能覆蓋動力電池艙內(nèi)的正常與異常溫度，并具有測量速度快、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強的特點。結(jié)合選型要求，確定在本設(shè)計中選用DS18B20溫度傳感器。該傳感器為數(shù)字型，輸出信號為數(shù)字信號，具有較強的抗干擾能力。

（3）煙霧傳感器的選型

動力電池發(fā)生火災(zāi)時，會產(chǎn)生大量煙霧，因此，可選用一個煙霧傳感器來檢測動力電池艙內(nèi)是否有燃燒煙霧存在。該傳感器應(yīng)具有測量迅速、精度高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好的特點。結(jié)合選型的要求，確定在本設(shè)計中選用MQ-2煙霧傳感器。該傳感器可對環(huán)境中煙霧、液化氣等進(jìn)行探測，檢測范圍為100～10000ppm，具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。

（4）光傳感器的選型

動力電池發(fā)生火災(zāi)時，會伴隨產(chǎn)生亮光，而在車輛運行時，動力電池艙內(nèi)亮度基本無明顯變化。因此，可選用一個光傳感器來檢測動力電池艙內(nèi)是否有燃燒亮光的產(chǎn)生。要求選用的傳感器具有反應(yīng)靈敏、精度高、可靠性好的特點。結(jié)合選型要求，確定選用LXD25528光敏電阻。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時出現(xiàn)可見光，光強變高，光敏電阻阻值變低。

（5）A/D轉(zhuǎn)換器的選型

本設(shè)計為了滿足模擬量信號的高精度采集，采用MCP3204進(jìn)行模擬量電壓信號的采集與A/D轉(zhuǎn)換。該芯片寬電壓設(shè)計，通信接口類型為SPI，最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps。芯片性能上滿足本系統(tǒng)的要求。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)是指在芯片的外部連接電源、時鐘以及復(fù)位等，構(gòu)成一個基本的應(yīng)用系統(tǒng)。如圖1所示為本文所設(shè)計的最小系統(tǒng)，具體包含單片機、電源電路、復(fù)位電路以及時鐘電路等。

（1）復(fù)位電路的設(shè)計

復(fù)位電路的功能相當(dāng)于進(jìn)行系統(tǒng)的初始化操作。系統(tǒng)通電后，在執(zhí)行操作之前，必須對單片機進(jìn)行復(fù)位。該操作的目的是將系統(tǒng)內(nèi)的CPU及其他相關(guān)組件設(shè)置為初始工作狀態(tài)，使得系統(tǒng)在這個初始狀態(tài)下開始工作。如圖1中所示，本系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位的方式，電路中RST腳連接至單片機的RST腳。當(dāng)復(fù)位開關(guān)SW1接通后，單片機開始執(zhí)行復(fù)位操作。

（2）時鐘電路設(shè)計

單片機的正常運行需要一個統(tǒng)一的時鐘脈沖。時鐘脈沖的序列信號由單片機內(nèi)部時序電路控制器發(fā)出。如圖1中所示，左下角部分為本系統(tǒng)的時鐘電路圖，連接至單片機的振蕩器輸入輸出端口，單片機中XTAL1為輸入端，XTAL2為輸出端。

（3）電源電路設(shè)計

為確保系統(tǒng)在任何時刻都有穩(wěn)定的工作電源，該系統(tǒng)采用獨立蓄電池供電，工作電壓在12V左右。為了使該系統(tǒng)能在此電源電壓下正常工作，需設(shè)計一個電源電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。如圖2所示，該電源電路中利用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805將蓄電池12V電壓降為5V的輸出電壓。

3.2 傳感器電路設(shè)計

（1）溫度檢測模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器作為溫度檢測元件，其輸出信號為為數(shù)字式，單片機可直接識別。如圖3所示，該傳感器通過VCC直接供電，信號經(jīng)I/O輸出，連接至單片機TEMP1（P2.0）腳。

（2）煙霧檢測模塊電路設(shè)計

如圖4所示，本系統(tǒng)所采用的MQ-2型煙霧傳感器共有6個引腳，其中1、4腳為加熱電阻，其余4個引腳分別為2個輸入引腳（5、6腳）和2個輸出引腳（2、3腳）。該傳感器需要同時給加熱電阻值施加加熱電壓Vh和測試電壓Vc，二者所需電壓相同，一起連接至VCC。因煙霧傳感器信號較弱，需要通過一信號放大電路，將信號傳送至A/D轉(zhuǎn)換器的AD1（CH0）。

（3）光檢測模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)中光強檢測所選用的LXD25528光敏電阻，輸出方式為模擬量。如圖5所示，電路中使用一個10kΩ電阻與LXD25528串聯(lián)，電路輸出模擬量信號至A/D轉(zhuǎn)換器的AD2（CH1）。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

如圖6所示為A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計，其中，VDD為電源，VREF為參考電壓輸入，CH0—CH3為模擬信號輸入，DGND及AGND為接地，CLK為串行時鐘，Dout為串行數(shù)據(jù)輸出，Din為串行數(shù)據(jù)輸入，CS/SHDN為片選/關(guān)斷輸入。圖中，CH0和CH1端腳分別接收來自煙霧檢測模塊電路和光檢測模塊電路的模擬信號輸入，信號輸出與單片機對應(yīng)端腳相連。

3.4 執(zhí)行元件電路設(shè)計

如圖7分別為燈光預(yù)警電路與聲預(yù)警電路。四個LED燈的定義為：D1運行指示，D2溫度預(yù)警燈，D3煙霧預(yù)警燈，D4光強預(yù)警燈。LED與單片機的I/O口相連，依次連接至P2.1、P2.2、P2.3、P2.4相連，本設(shè)計中低電平有效。聲報警電路的蜂鳴器電路與單片機的P1.1口相連。當(dāng)觸發(fā)報警時，由單片機控制蜂鳴器LS1發(fā)聲。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序的流程設(shè)計為：首先，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，之后通過DS18B20、MQ-2及LXD25528采集溫度、煙霧及光強信號，模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號傳至單片機。有單片機將三者信號與系統(tǒng)設(shè)定閾值進(jìn)行比較，超過設(shè)定值時，觸發(fā)報警模塊工作;當(dāng)未超過設(shè)定值時，LED顯示正常，并恢復(fù)到信息采集階段繼續(xù)工作。

5 總結(jié)

本設(shè)計通過設(shè)計一款純電動客車動力電池艙火災(zāi)多級預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了對純電動客車運行過程中動力電池艙內(nèi)溫度、煙霧及光強的實時感知，有效提高了運輸過程的安全性。

課題來源：2020年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目《新能源汽車火災(zāi)預(yù)警及自動滅火系統(tǒng)設(shè)計》，編號202012056009Z。

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