飞机座椅安全带状态报警电路设计

朱江兰 包颖莹 梁 森

(华东理工大学信息科学与工程学院1，上海 200237;上海电机学院电气学院2，上海 200240)

飞机座椅安全带状态报警电路设计

朱江兰1包颖莹2梁 森2

(华东理工大学信息科学与工程学院1，上海 200237;上海电机学院电气学院2，上海 200240)

飞机座椅安全带能够承受足够的载荷以抵抗巨大的冲击力，起到保护乘客的作用。但部分乘客容易疏忽在正常飞行中系好安全带，而现今飞机上并没有相应的安全带报警装置来约束每一位乘客主动扣紧安全带。使用传感器技术可以提高安全带的使用率。介绍了飞机座椅安全带状态报警电路的设计，并利用电流互感器作为安全带开路报警传感器，计算了电流互感器的参数。同时，利用RS- 485总线实现上位机与从机单片机的通信和集中显示，组成报警系统，提高飞机乘客的安全性。

飞机座椅 安全带 报警 传感器 电流互感器

0 引言

航空是远程交通最安全的方式之一。但是，飞行过程中免不了由气流、雷电等对飞机造成的临时影响，此时乘客要依靠座位上的安全带来固定。飞机座椅安全带能够承受足够的载荷以抵抗巨大的冲击力。如果旅客没有系好安全带，就会被飞机强大的惯性和阻力射离座位而撞伤。目前,飞机上并没有安装相应的报警装置来提醒乘客系上安全带[1]，究其原因是因为飞机安全带与汽车安全带的结构不同。对于汽车安全带，汽车启动后，当乘客未将汽车安全带的锁扣插入座椅侧面的锁孔中时，锁孔旁边的微动开关产生报警信号。但是，飞机座椅安全带是将锁扣与锁舌分别安装于高强度编织带的末端，扣紧位置处于乘客的腹部位置，较难产生报警信号[2]。研究具有报警装置的飞机座椅安全带就显得非常重要。

飞机座椅安全带状态报警电路主要由微弱导电的安全带、电流互感器、激励源、电压比较器、微处理器、总线电路等组成，采用单片机C8051F340作为RS- 485总线通信的主从站。

所设计的飞机座椅安全带状态报警电路可以实现的功能包括：①判断座位有无人状态；②判断安全带没有扣紧的座位号码；③将座位号及状态轮流显示于主机的LED显示屏上；④当某个座位有人且安全带没有扣紧时，点亮数码管右侧的报警灯。

1 报警电路总体设计

1.1 总体设计方案

基于电流互感器(在本设计中作为传感器)原理而设计的安全带扣紧检测回路，经过电流互感器后续整流、放大等信号调理电路，信号将传送至座椅扶手内的单片机。

飞机的后舱设置了一个上位机系统。下位机与上位机单片机之间采用RS- 485串行通信技术，可以实现寻址、定位、报警等功能。

报警电路设计涉及激励电路的设计、电流互感技术、电压比较器、串行通信技术、单片机技术等。飞机座椅安全带状态报警原理图如图1所示，安全带状态和重力检测原理简图如图2所示。

图1 状态报警原理图Fig.1 Schematic diagram of status alarm

1.2 判断座位状态的设计

图2中，重力开关K的输出接到单片机的P0.0口。重力开关由“行程开关”改造而成。重力开关安装在座椅的座垫内。当有乘客坐到座位上时，若乘客的质量超过10 kg(幼儿质量)，座垫下沉的行程超过设定值，就会压到行程开关的杆杠，行程开关闭合，座位输出状态为逻辑0；当座位上没有人时，行程开关处于断开状态，座位输出状态为逻辑1。重力开关将相应的信号传输给从机单片机，再传输给主机单片机，主机单片机根据重力开关状态和扣紧装置状态，判断是否进行相应的报警。只有当座位上有乘客且安全带未扣紧时才进行报警。

1.3 安全带扣紧电路设计

判断安全带是否扣系好是基于电流互感器原理。电流互感器在本设计中作为传感器使用。在图2所示电路中，两个扁平铁氧体铁心构成的电流互感器[3]，分别安装在安全带靠近固定螺栓的位置，如图2中的T1、T2所示。

下位机的P3.0口接到RC三角波输出端，输出频率f=1 kHz。T1的一次侧为20匝，接到P3.0口的RC三角波输出端，输出频率f=1 kHz。微弱导电的左侧安全带穿过T1的铁心，相当于Ns1=1匝线圈。T1的一次侧电流IP1由限流电阻R3决定，IP1≈5 V/R3=0.05 mA。

T1的匝数比、电流比可用下式表达：

i1=NP1/NS1

(1)

NP1/NS1=IS1/IP1

(2)

式中:NP1、NS1、IS1、IP1分别为一次侧匝数、二次侧匝数、二次侧电流、一次侧电流。

T1二次侧电流理论值可用式(2)或式(3)计算：

IS1=I1=i1IP1

(3)

由于i1=1/20，所以T1的二次侧电流I2为一次侧电流的20倍，约等于1mA。

从图2可以看到，右侧安全带在接近固定螺栓的位置穿过T2的扁平铁氧体铁心，构成T2的一次侧，T2的二次侧为50匝。当左右两根安全带扣紧时，由于i2=1/50，则T2的二次侧电流理论值可用式(4)计算：

IS2=I3=i2IP1

(4)

T2的二次侧的电流IS2为一次侧电流的1/50，约等于0.02mA。虽然T2的二次侧的电流很小，但由于电流互感器的内阻很小，电磁干扰不容易串入检测电路中。T2的二次侧输出电流接到桥式整流、RC滤波电路，再接到下位机的P0.1口。当左右两根安全带没有扣紧时，安全带上没有电流，T2的二次侧也没有输出电流。

当左右两根安全带扣紧时，安全带通过飞机座椅背面的铝合金架子构成回路，则安全带上有电流流过，T2的二次侧也有输出电流，并加以转换。下位机根据转换后的信号判断左右安全带已经扣紧。

当座位上有人且安全带未扣紧时，下位机的P3.1口输出1Hz脉冲信号，座椅扶手上的红色LED1闪亮。

1.4 桥式整流、RC滤波电路设计

本设计的桥式整流电路采用开关二极管IN4148，如图3所示。

当安全带扣紧后，T2的二次侧就有电流通过，并流经桥式整流电路的1、2、3、4端以及负载电阻R10，构成回路。R10两端的电压与T2的二次侧电流成正比。

R10两端电压接到R11、C5组成的低通滤波电路，得到脉动较小的直流信号，再接到下位机的P0.1口。R11×C5必须大于5T1 000 Hz(即τ≥5 ms)。本设计中R11=10 kΩ，C5=1 μF，时间常数为10 ms。

虽然二极管具有0.7 V的死区电压，但是由于本设计的桥式整流电路[4]是用于检测输入电流而不是输入电压，所以R10两端电压总是与一次侧电流成正比。当整流二极管未导通之前，T2的二次侧将没有电流。根据电流互感器的基本原理，当T2的二次侧没有电流时，二次侧的电压就会上升(这是电流互感器二次侧不允许开路的原因)，直到整流二极管导通、二次侧的电流与一次侧的电流等于匝数比为止。所以利用电流互感器能够自动克服二次侧整流二极管死区电压的影响。

2 RS- 485通信

RS- 485总线是一种差分数据传输的电气规范[5]，可以进行多点传输。RS- 485的通信接口大部分是半双工的通信方式，近年已经发展成为一种通用的标准通信接口，应用十分广泛。RS- 485传输距离可达1 km，利用专用总线集成电路，可挂接设备数量达256个以上，抑制干扰能力强[6]。

主从单片机采用总线方式通信(见图1)，主机依次对每个从站进行轮流查询,当查询地址有效时，从机做出相应的响应。主、从机单片机采用C8051F340。该单片机是一款低功耗、高性能CMOS8位贴片式微处理器，其输出电压是TTL型。若要进行RS- 485通信，就需要接一片RS-232/485转换芯片[7]。本设计采用MAX1483转换芯片，主机通过MAX1483将信号转换成RS- 485信号，再进行485总线通信。在从机的串行端口经过另一片MAX1483转换器，将RS- 485信号转换成RS-232信号，由从机读取，反之亦然。

从机最多可以有255台，可以设定从机地址依次为001，002，…，255。主机开始对第一台从机(001)进行访问，第一台从机(001)则将安全带扣紧装置的状态和重力开关的状态发送给主机。若重力开关断开，无论安全带是否扣紧，LED报警灯不亮，主机的数码管不显示相应座位号。若重力开关闭合且安全带装置处于闭合状态时，则主机数码管也不显示相应座位号；若重力开关闭合且安全带装置处于开路状态时，则主机数码管显示座位号(可以是与登机卡真实物理座位号对应的A、B、C、D……)，且红色指示灯闪烁。然后主机询问的地址加1，对下一个从机进行访问，直到访问到地址255后才重新从001地址开始，再依次访问各从机单片机。

如果座位号小于255，可以预先设定循环周期的上限。如果大飞机的座位号大于255，可以利用上拉电阻来提高串行信号的幅度[8]，从而使挂接的外设提高到400个，但抗干扰能力有所减弱。

3 结束语

基于电流互感器原理的电路报警装置设计用于检测安全带扣紧状态，采用RS-232/485转换器进行串行通信，最多可安装255台从机。主机通过轮询方式访问从机，从机将采集的安全带信息传输给主机，并将报警信息显示在驾驶舱里，实现双重保障，让空姐也能提醒乘客。这不仅提高了飞行安全性，而且成本较低，有一定的实用价值。

另外，对于某些乘客将较重的背包放在座位上，可能引起误报警的情况，可以考虑在座椅的座垫内设置热敏电阻，进一步提高报警的正确性。

[1] 李永林,李勇.安全带及其报警装置:中国，102795197[P].2012-11-28.

[2] 刘冲,江振伟,周大永.一种带有安全带报警装置的座椅[P].中国专利:201895647,2011.07.13.

[3] 马敬敏.基于Multisim 10的RC桥式正弦波振荡电路仿真分析[J].渤海大学学报:自然科学版,2012,33(4):324-328.

[4] 马敬敏.基于RS触发器工作状态的Multisim仿真[J].电子设计工程,2011,19(17):24-26.

[5] 马靳鲜,魏胜利.总线技术与PC机结合的通信系统设计[J].计算机测量及控制,2013,21(7):1963-1974.

[6] 鄢涛,杜小丹,刘永红,等.基于RS485的数据通信协议的设计与实现[J].成都大学信息科学与技术学院,2013,21(17):19-22.

[7] Qin Shihong.Design of the multi-computer communication system based on RS485[C]∥2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering(ICEICE),2011:1318-1320.

[8] 陈金华.基于HDLC协议的RS485通信设备的研制[J].测控技术,2010,29(6):98-101.

Design of the Status Alarming Circuit for Airplane Seat Belts

The seat belts on airplanes can withstand sufficient loads to resist huge impact for protecting passengers. Some of the passengers may often neglect to fasten seat belts in normal flights. However, at present, corresponding seat belt warning devices have not been equipped on the airplanes to constraint every passenger to actively fasten his or her seat belt. Using sensor technology can increase the usage rate of seat belts. The design of the status alarming circuit for airplane seat belts is introduced; the current transformer is adopted as the open loop alarm sensor for the seat belt, the parameters of the current transformer are calculated. Through RS- 485 bus, the communication for host computer and slave single chip machines can be implemented to construct alarm system for centralized display; the security of passengers on the airplanes can be enhanced.

Airplane seat Seat belt Alarm Sensor Current transformer

朱江兰(1989-)，女，现为华东理工大学控制工程专业在读硕士研究生；主要从事嵌入式的研究。

TP212+.9

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506024

修改稿收到日期：2014-11-23。