驾驶员未拔钥匙离座提示报警系统设计

葛 林，陈子明

（中航爱维客汽车有限公司，江苏 南通 226017）

驾驶员未拔钥匙离座提示报警系统设计

葛 林，陈子明

（中航爱维客汽车有限公司，江苏 南通 226017）

针对商用客车尤其是纯电动客车在驾驶员未拔点火钥匙离座时存在的安全隐患，提出一种有效解决方案。该提示报警系统在驾驶员离座时，如果点火钥匙仍停留在挡位上，起到声光报警作用，提醒驾驶员及时拔出点火钥匙，有效防范安全事故的发生。此外，该装置预留有静音按钮，可以在需要静音时关闭报警声，启动静音模式。

商用客车；点火钥匙；声光报警；安全事故；静音模式

在车辆行驶过程中，商用客车点火钥匙置于ON挡位置；而需要使用车内小功率用电器时，通常是置于ACC挡位置；当车辆停车时，点火钥匙置于OFF挡位置或拔出。

对于传统能源商用客车而言，有些驾驶员下车时可能将点火钥匙遗留在挡位开关上忘记拔出，这样可能会使车辆被未授权的人员误操作，产生失控的风险。

纯电动商用客车采用按钮式挡位开关，在乘客上车时车辆已处于高压上电状态，点火钥匙在挡位上未拔出，当驾驶员离座维持乘客上车秩序时，若某乘客不小心碰到挡位开关或随身行李压到加速踏板上，则有可能致车辆处于非正常的行驶状态，引发乘员和车外人员的恐慌。严重时，将造成车毁人亡的恶性事故发生。

GB/T 18384.2《电动汽车 安全要求 第2部分：操作安全和故障防护》中4.5 驻车规定：当驾驶员离开车辆时，如果驱动系统仍处于“可行驶模式”，则应通过一个明显的信号装置（例如：声或光信号）提醒驾驶员［1］。

因此，需要设计一种提示报警器（以下简称提示器），当驾驶员未拔点火钥匙离座时，能够实现有声或光报警，提醒驾驶员及时将点火钥匙拔出。

1 设计思路及设计要求

1）汽车供电电源特性 根据QC/T413—2002《汽车电器设备基本技术条件》的要求，12 V及24 V标称电压的车用电器设备工作电压范围见表1［2］。

表1 车用电器工作电压范围 V

2） 汽车电子产品乘员舱温度要求 根据QC/ T413—2002《汽车电器设备基本技术条件》的要求，乘员舱电子设备温度范围应按-40～85 ℃进行设计［2］。

3） 选择合适的外壳 由于客车仪表板上安装空间十分有限，增加电气设备需要考虑占用空间较小、便于安装。翘板开关的安装尺寸已标准化，可在此基础上设计提示器外壳。

4）选择合适的低功耗器件 主要是电源电路、芯片软硬件的设计，实现低功耗，符合车辆对常电B+静态电流（暗电流）的要求。

5）选择合适的驾驶员座椅压力感知开关 按客车座椅选型设计。压力开关要求工作可靠，能够感知人体的体重，且不会导致乘坐不舒服。

6）软件编程设计 编写软件流程图，编写各个功能模块运行的子程序，尽量使软、硬件结合，处理系统抗干扰性能，调试并修改设计缺陷（BUG），使提示器软件系统满足设计要求。

7）制作样机并装车测试 按设计要求制作样品，进行各部分功能测试，装车验证，检查是否满足设计要求。

2 提示器系统设计

提示器主机由控制主板、外壳组成，其逻辑方框图如图1所示。

图1 提示器逻辑框图

2.1 设计要求

提示器应能准确采集点火钥匙挡位的电平变化信号，同时采集驾驶员座椅压力开关的信号变化，抗干扰性能强。提示报警器自带声光报警功能，并预留按钮，能够在需要静音时关闭声音报警。

考虑到提示器由B+（常电）供电，对提示器的静态电流要求较高，整个提示器按低功耗要求选型设计，同时满足启动时能够正常工作而不出现异常，即按电源电压在9～36 V范围内均应能正常工作［3］。

安装方式应按小型化、容易安装的要求进行设计。

2.2 零部件的选型和工作原理

2.2.1 电源转换电路

根据宽电源、低功耗的设计要求，选用DC-DC直流开关转换芯片，将外部9～36 V宽电压电源转换为稳定的5 V直流电源。该类芯片可选范围宽，考虑到设计成本，选用市场上较常规的XL1509-5.0E1芯片。该芯片最大转换电流达到2 A，工作极限电压45 V，可靠工作电压上限为40 V，自带过流保护。芯片为SOP-8封装，适合本产品的使用［4］。

考虑到汽车电子产品的电源反极性保护及本产品的实际工作电流，选用在电源正极串入二极管1N4004方式来实现。同时，在该二极管的负极和开关电源芯片的输入端之间串联一个100 Ω电阻，减少冷启动时的电流冲击，并在电源芯片输入端搭铁并联一个大功率的TVS，型号为SMBJ36 A，功率600 W，额定工作电压36 V，钳位电压38～42 V，可有效保护后端的电源芯片不被损坏。

电源芯片实测经验值为静态电流2～3 mA，满足低功耗的设计要求。

因单片机本身为宽电压低功耗设计，可在2.9～5 VDC电源电压下正常工作，故本产品的电源无需二次转换，只使用一组5 V单电源即可。

2.2.2 输入信号检测电路

提示器外部的输入信号主要有ACC信号、ON挡信号（均为高电平有效）以及预留的一路空挡信号（高电平有效）；内部的输入信号有静音按键信号（低电平有效）。

外部的输入信号以ACC挡电平信号检测为例，通过二极管D2、稳压管D4、电阻（R2、R5、R3）、电容C2、三极管Q1完成信号输入的转换。D2、D4的作用主要是将一些低于6 V的无效信号滤除，保证输入信号大于6.7 V以上，三极管Q1才正常导通。电容C2和R2组成一个RC滤波网络，滤除高频的信号干扰。输入信号检测电路如图2所示。

图2 输入信号检测电路

内部的按键信号处理电路主要考虑抗静电干扰能力，通过在按键信号上串联一个小电阻R9，并在靠近单片机I/O口处搭铁增加一个TVS（额定工作电压5 V），实现产品按键处接触放电±8kV的抗静电防护等级。按键信号处理电路如图3所示。

图3 按键信号处理电路

2.2.3 单片机

目前，单片机种类繁多，分为通用型、DSP型、混合型及特殊型等几种。

根据设计成本和系统要求，控制单片机采用ST公司生产的新型单片机STM8S103系列产品。该系列芯片主要性能如下：高级STM8内核，具有3级流水线哈佛结构；扩展指令集；高速，绝大部分指令一个机器周期，最高16 MHz内部时钟；2.9～5.5 V宽电压；多种时钟可选，内部最高16 MHz RC时钟和内部低功耗128 kHz RC时钟适合本产品；多种电源管理模式，如等待、活跃停机、停机等；窗口看门狗和独立看门狗2个定时器；带多种通信接口，如UART/SPI/I2C等；单总线接口模块SWIM和调试模块DM，方便在线编程和非侵入式调试；多种封装可选，其中TSSOP20超小型封装适合于本产品的运用［5-6］。

根据实际需要，选用STM8S103F3P6，宽温（-40～85 ℃），有16个I/O口，1 K RAM，8 K FLASH，640字节的E2PROM。带12位ADC，3个定时器，SPI，I2C，UART，所有I/O可以单独中断。

因内部时钟精度为1%，外部的信号处理无需太高精度，故选用芯片的内部时钟。

2.2.4 单片机外围电路

按芯片推荐的外围电路，用RC复位电路完成芯片的上电复位，并在电阻上反相并联一个泄放二极管，以应对电源的快速波动。

其它如芯片第8脚VCAP，通过一个电容做内部电源的滤波。

ISP接口也按芯片推荐电路预留一个4芯插座，便于在线仿真和软件升级。

2.2.5 声音输出

采用有源蜂鸣器为提示器的声音输出器件，可以节省芯片内部资源。通电就响，只要进行脉冲的控制，即可发出需要的声音。

2.2.6 指示灯

提示器预留有2个LED指示灯，绿色LED指示灯作为状态指示灯，待机时熄灭，正常时常亮，提示报警状态时闪烁；红色LED作为静音指示灯，在提示报警状态下，如果按下静音按键，该指示灯将点亮，提示驾驶员目前处于静音状态。指示灯布置和工作原理如图4所示。

2.2.7 座椅压力开关

图4 指示灯布置和工作原理

座椅压力开关需预先敷设在驾驶员座椅内衬里，通过2根线引出。当驾驶员坐下时，人体质量的65%是由底面承担的［7］。压力开关的动作灵敏度选择，需要考虑不同年龄、不同性别成员的体重。

座椅压力开关实际上是一种薄膜型触点传感器，传感器的触点均匀分布在座椅的受力表面，当座椅受到外部压力时闭合，产生一个触发信号。座椅压力开关可以根据汽车座椅的形状、硬度和蒙料的松紧度来设计传感器的外形及触点的灵敏度。

图5为座椅压力开关的敷设效果及配套的座椅压力开关样品图示，参考《汽车人机接触界面体压分布的实验与评价研究》中舒适座垫的体压分布曲线［7］设计，内置18个并联的轻触开关，分布在座椅中心。

图5 座椅压力开关的敷设效果及样品

2.2.8 结构设计

提示器按翘板开关的尺寸设计，可直接嵌入22×44的开口槽位，实现快速安装。外壳按底座和面板组合设计，底座考虑卡槽和两侧的弹片，要能牢固地卡入仪表板开口槽内。弹片设计为锯齿状，可有效卡入不同厚度的面板上。上盖采用透明材质设计，并在正中预留一个静音按键位置。为了美观，选择内部带灯的轻触开关实现静音功能，按下按键，内部的灯点亮。按键还同时雕刻一个静音图案标识，灯亮时能清晰显示。

2.2.9 软件程序设计

低功耗设计：在检测到ACC及ON挡信号均关闭且压力开关检测到驾驶员离座时，芯片通过执行WFI汇编指令进入等待模式，此时CPU停止工作，但保持外设和终端控制器继续运行，以便快速响应外部信号的触发［8］。

采用STM8S系列芯片，它是ST公司自行开发的STVD软件，可进行软件编程、在线仿真、调试。批量编程还可使用STVP软件进行芯片擦除、编程、加密［9-10］。

软件程序设计流程图如图6所示。

2.3 工作原理

1）点火钥匙挡位检测 通过检测ACC挡、ON挡信号，可知点火钥匙开关的具体挡位变化信息。

2）驾驶员离座检测 通过检测内置在座椅的多点压力开关来实现。通过调整压力开关的灵敏度，可以实现正常人坐下时开关接通，离座时断开。

3）电气控制 通过点火钥匙挡位和驾驶员离座检测，单片机进行LED灯、蜂鸣器的控制，并根据静音键有效与否，控制蜂鸣器的工作。

2.4 功能说明

1）通电后，提示器处于待机状态，状态指示灯熄灭。

2）当驾驶员离座时，提示器的SEN信号为悬空状态，如果点火钥匙处于ON挡或ACC挡，提示器将延时2 s后自动启动报警功能，状态指示灯闪烁，同时蜂鸣器发出“哔哔哔”的报警提示音。当驾驶员坐回座椅上后，SEN信号变为低电平，提示器停止声、光报警，状态指示灯为红灯常亮，蜂鸣器停止报警。

3）在提示报警状态下，如果点火钥匙旋至OFF挡或拔出，提示器将会自动关闭声、光报警，处于静音状态。也可按下提示器面板上的静音键，将提示报警音临时关闭。此时，状态指示灯仍保持闪烁状态，静音键指示灯点亮。

图6 软件程序设计流程图

3 设计参数和试验数据

3.1 设计参数

额定电压24 VDC，工作电压范围9～32 VDC，静态电流≤5 mA，工作电流≤60 mA，工作温度-40～85 ℃，报警声压（可设置）≥80 dBA（500 mm）/75 dBA（1000 mm）/70 dBA（2000 mm），高电平≥8 V，低电平≤4 V，座椅灵敏度≥35 kg动作，开孔尺寸22 mm（宽）×44 mm（高），质量≤75 g。

3.2 试验数据

根据设计参数和要求，对样品进行测试，结果见表2。

表2 样品测试结果

4 结语

根据试制样品的测试结果，可知：TX-003型提示器结构简单，安装方便，满足GB/T18384.2的性能要求，对驾驶员未拔点火钥匙离座起到有效的报警作用，避免车辆安全事故的发生。

［1］ 全国汽车标准化技术委员会.GB/T18384.2，电动汽车安全要求 第2部分：操作安全和故障防护［S］.2015.

［2］ 全国汽车标准化技术委员会.QC/T 413，汽车电器设备基本技术条件［S］.2002.

［3］ 国家标准化管理委员会.GB/T 21437.2，道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第2部分：沿电源线的电瞬态传导［S］.2008.

［4］ XLSEMI公司.XL1509数据手册［Z］.

［5］ ST公司.8 and 32 bit microcontrollers Product selection guide［Z］.

［6］ ST公司.Access line，16MHz STM8S 8-bit MCU，up to 8Kbytes Flash，data EEPROM，10-bit ADC，3 timers，UART，SPI，I2C Datasheet［Z］.2016.

［7］ Branton P. Behavior， body mechaincs and discomfort［J］. Ergonomics，1969，12（2）：316-327.

［8］ ST公司.STM8S系列MCU功耗管理［Z］.

［9］ ST公司.如何开始STM8S系列单片机的开发［Z］.

［10］ ST公司.Getting started with the STM8S and STM8A［Z］.2011.

（编辑 杨 景）

Warning System Design for Driver Leaving Without Pulling Out the Key

GE Lin， CHEN Zi-ming
（AVIC Motor C0.， Ltd.， Nantong 226017， China）

This paper proposes an effective solution to reduce potential risk that happens when a driver doesn’t pull out the ignition key，which focuses on commercial passenger cars， especially pure electric buses. The warning system acts as the sound and light alarm when the driver leaves the seat with the ignition key in the gear. The alarm reminds the driver to pull out the ignition key in time to prevent accidents. In addition， it reserves a mute button to turn on the silent mode.

commercial passenger cars； ignition key； sound and light alarm； safety incident； silent mode

U463.653

A

1003-8639（2017）04-0001-04

2016-10-27；

2016-11-30

葛林（1989-），男，江苏南通人，工程师，主要从事客车电气系统的设计与研发工作；陈子明（1968-），男，安徽安庆人，高级工程师，主要从事新能源汽车整车电控系统的研究工作。