1、 编号 学 士 学 位 论 文汽车路面水位过高车窗开启提示装置的设计学生姓名： 穆希萍 学 号： 20110204070 系 部： 物理系 专 业： 电子信息科学与技术 年 级： 11 级 指导教师： 张连毅老师 完成日期： 年 月 日学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS中文摘要汽车在积水路面行驶，当路面水位过高时，可能导致汽车电源故障而使汽车无法打开车窗，2012年北京的大雨使这一事故隐患突出暴露，并导致多人因汽车无法打开车窗窒息死亡。人们在面对类似问题比较倾向于自我警示和自我防范，主要的原因在于目前的购车方和开发商对车辆的追求主要是车辆的性能和油耗，而对车辆电子类产品则
2、往往追求其娱乐性，忽略了安全警示功能的拓展。因此，研究一套汽车路面水位过高车窗开启提示装置有较高的实用价值。论文结合汽车的实际需要设计出来了水位传感器的具体安装位置和备选方案，设计出了汽车路面水位过高车窗开启提示装置的总体方案和仿真程序及测试波形，对汽车路面水位过高的各种情况进行了分析，对各个组成模块进行了阐述，并重点对信息处理单元进行了剖析。另外，还借用了一种渐响式报警器的方案供参考使用。汽车路面水位过高车窗开启提示装置的研究可以说在安全提示设计方面是个突破，使驾驶更加安全可靠。关键词：水位过高;车窗;提示开启;传感器;安全AbstractCars traveling in the pudd
3、les when the road water level is too high, which may cause the automobile power failure and so people can not open vehicles windows. The heavy rain in 2012 made this potential accidents prominent exposure. People in the face of similar problems always tend to self-examination and self-protection. Th
4、e main reason is that the current car buying and developers mainly focus on vehicle performance and fuel consumption. In face of vehicle electronic products, people 学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS1always concern its entertaining; ignoring developing of security warning function. And it causes many cars
5、 fail to open the windows suffocation. Therefore, the study of a set of roads high level water windows opening device has a high practical value. According to the actual needs of automobile, this paper has designed out of the water level sensor installation location and alternatives. Research of the
6、 device also designed the scheme and simulation program and test waveform of the automobile road in high water level window opening device. The paper analyzed all kinds of automobile pavement in high water level, stated all modules of the device. In addition, the device also borrowed a gradually rin
7、ging alarm program for reference use. And emphatically analyze the information processing unit. Automobile road in high water level window opening of prompting device can be added in the safety design is a breakthrough, make driving more safe and reliable.Key words: High water level, car window, pro
8、mpt opening device, the water level sensor, safety学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS2目 录中文摘要 .1ABSTRACT.11 引言 .11.1 研究概述 .11.2 研究现状与进展 .21.3 研究内容和思路 .21.4 研究的目标和拟解决的关键技术 .32 提示装置的设计方案 .42.1 汽车路面水位过高的安全隐患 .42.2.1 汽车蓄电池 .52.2.2 电容式液位限位传感器 .62.2.3 进气口与排气管（备选方案） .82.3 设计方案 .103 提示装置的电路设计 .133.1 QUARTUS II 10.
9、0 软件简介 .133.1.1 Quartus II 10.0 软件简介 .133.1.2 Quartus II 软件设计步骤 .143.2 硬件电路的设计 .163.2.1 设计要求 .163.2.2 设计步骤 .163.3 成果 .194 系统仿真测试 .204.1 软件仿真测试 .204.2 波形分析与讨论 .215 总结 .22参考文献 .23致谢 .25学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS01、引言1.1 研究概述汽车作为当下重要交通工具之一，汽车的发明和汽车相关技术的发展不仅仅改变了人们的出行方式，节省出行时间，更加快了人员及商品的流通。 跟随着汽车以及电子工业
10、的蓬勃发展，电子技术的应用在现代汽车中越来越广泛，也越来越受到人们的重视和偏爱，汽车电子化的程度也越来越高，汽车技术与电子技术相结合的形势催生出了汽车电子技术的概念。在现代汽车工业中广泛运用电子技术使得汽车电子的发展趋势不断加快，也开始推动汽车功能的多元化和便捷化。更值得一提的是，在现代汽车安全系统中电子技术的应用，极大的改善了汽车的安全性能，有利于提高行车的安全，以及保障人身的安全。尤其是在大雨甚至暴雨天气等自然灾害的情况下发生了许多汽车落水以及行车事故给人们的生命财产造成了巨大的损失，人们开始更加关注追求汽车的安全性能。每年都有大量汽车因为被水淹而产生数以亿计的经济损失。去年北京六十年一遇
11、的大雨突出了安全隐患。当汽车陷入水势过高处时，由于汽车并不是全密闭模式，势必会面临车身水位逐渐的危险态势，北京这一事件便是如此，受困者在被困时未能及时打开中控开关，导致车进水后电路中断，使得中控锁死，受困者打不开车门才发生了溺水身亡。本 提 示 装 置 的 研 究 正 是 针 对 这 种 情 况 ， 在 汽 车 路 面 水 位 过 高 时 ， 提 示 用户 车 外 水 位 处 于 危 险 状 态 并 且 提 示 用 户 开 启 车 窗 防 止 被 困 ， 在 最 佳 逃 生 时 间内 逃 生 ， 避 免 悲 剧 的 发 生 。 目 前 ， 吉 利 汽 车 公 司 已 成 功 地 申 请 了 汽
12、 车 落 水 自动 打 开 门 锁 及 车 窗 装 置 的 专 利 ， 而 针 对 汽 车 水 面 过 高 的 研 究 内 容 及 研 究 成 果较 少 ， 且 有 许 多 不 足 之 处 。 相 比 汽 车 落 水 自 救 措 施 ， 汽 车 路 面 水 位 过 高 车 窗开 启 提 示 装 置 具 有 更 强 的 可 应 变 性 ， 在 事 故 发 生 前 就 能 够 发 出 警 报 警 示 车 内人 员 。 该 提 示 装 置 的 研 究 参 考 了 浙 江 吉 利 控 股 集 团 有 限 公 司 的 相 关 专 利 技 术 。该 技 术 相 比 普 通 汽 车 落 水 自 救 装 置
13、， 更 加 新 型 实 用 且 经 济 成 本 低 ， 适 合 各 种车 辆 在 日 常 行 驶 中 使 用 ， 实 用 性 极 高 。学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS11.2 研究现状与进展目前尚无汽车路面水位过高提示装置的研究，只有车辆落水后主动开启车窗车门的专利项目。本课题参考吉利汽车落水专利技术，参考其较新颖的设计方案，设计出针对汽车路面水位过高情况的装置。还参考了相比其它专利技术及参考文献，本课题装置适用的场合较为广泛，适用于各种车辆，本系统的关键部分是警报的精确性和可靠性，所以对整个装置的信息整合能力要求较高，同时也需要选定合适的水位检测点。论文从阐述汽车路
14、面水位过高的安全隐患入手，引出了新颖的提示装置。论文主要向大家描述了汽车路面水位过高的设计方案及基本结构，根据调查结合实际需要编写了仿真程序，在实现流程后论证了此研究的可行性，设计出了汽车路面水位过高提示装置的理论研究。本装置计划采用时序逻辑电路。整个装置需要用到计数器与寄存器，就本装置而言，时序逻辑电路相比组合逻辑电路，较精密，且能实现更多功能。1.3 研究内容和思路研究内容：首先是要选取合适的水位检测点和能有效传递数据的传感器；其次是要整合传感器传来的的信息，避免错误警报；然后是要选择警报器，不但需要在车外水位过高时及时有效地警报，还应该将是否安全的信息反馈给用户。研究的模拟仿真是在Qua
15、rtus II平台上完成的，运用 verilog HDL语言编写相关程序，通过功能仿真和时序仿真来完成硬件电路和其功能测试。使用硬件仿真电路进行功能仿真和时序仿真，一方面可以避免因为元器件的原因造成的损失，节约了开发成本；另一方面可以使完整的工作过程完全在计算机中实现，大大缩短了设计的周期，还可以实时地通过调试测试电路，直到完全符合要求。其具有形象直观、操作速度快、仿真参数可调等优点。设计思路:当任何一个水位传感器检测到水位高过安全临界时，传感器都会向寄存器内输入高电平并计数，当计数器计数到设定值的时候说明该次警报为有效警报。其中，若遇到汽车不慎落入水中的情况，将被视为危急情况，不需要计数立刻
16、报警。在排除例如行驶途中溅起水花等情况后，如果确认这次的报警有效，那么蜂鸣器和LED将同时开起。蜂鸣器将选择渐响式蜂鸣器，随着警报的持续时间，由弱至强提醒车内人员及时打开车窗。停止按钮可以停止蜂鸣学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS2器的鸣叫，也可以停止提示开启车窗的闪烁灯。LED灯只有在车外水位低于安全临界时才会停止，这样是为了防止用户在停止警报后不慎打开车窗车门，让车内人员能通过灯亮知晓水位安全与否。另设重置按钮，可以重置报警装置至初始值。1.4 研究的目标和拟解决的关键技术预期研究目标是完成汽车路面水位过高车窗开启提示装置的研究工作，并实现此装置软件仿真的正常运行，使
17、此装置的仿真测试可靠运作，使汽车路面水位过高车窗开启提示装置的理论方面满足实际需要。本装置的主要研究框架为：水位传感器信息处理模块报警装置。如模块连接框图所示，如果发生水位过高现象，那么水位传感器将信息输入至信息处理模块，信息处理模块是根据该提示装置设计的，在信息处理完毕后将触发报警装置和LED灯，按下停止警报按钮或者恢复安全水位就会停止警报，LED将始终在水位危险时闪烁。图1-1 各模块图连接框图如模块连接框图所示，水位传感器将信息输入至信息处理模块，信息处理模块是根据该提示装置设计的。信息处理模块依据输入的数据将信息总共分为两个级别，第一级为危急状态，第二级为危险状态，另外有一种是错误警报
18、，这是需要排除的。根据两种级别的判别方法，信息处理模块输出高电平或者不输出。在信息处理完毕后，若有警报将触发报警装置和提示开启车窗的LED灯，按下停止警报按钮或者恢复安全水位就会停止警报。水位实时状况的LED灯将不受按键控制，始终在水位危险时闪烁，直到水位安全或系统复位时灯才会自动熄灭。研究的关键在于器件的安置和选择等，经过推敲和资料的查找，论文已给出了相应的选择。但是目前该装置仍在研究中，还需要根据本文的研究进度和研究基础进行硬件及其硬件测试，不但要通过理论，还需要通过实践的检验才学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS3能得到真正能投入使用的产品。2、 提示装置的设计方案
19、2.1 汽车路面水位过高的安全隐患每年全国都会遭遇大雨天气，轿车涉水行驶不仅危及安全，而且往往也会损伤到车辆本身。尤其南方进入8月以后，由于受台风影响大雨频下，城市排水不畅，常常引发部分路段积水特别多，成为车辆被淹的重灾区。报载某地下雨后，有多台高档轿车在雨天涉水时，因发动机进水造成各车的经济损失均在万元以上，实为可惜。2012年北京六十年一遇的大雨在如此高汽车保有量、对于用车安全和行人保护极端缺乏的国度里，连一条马路都可能是死亡的陷阱。此类严重的机械事故时有发生，各地屡见不鲜。轿车涉水时之所以易进水，这是因为轿车车身地板低，车轮尺寸小，涉水时通过性差。如水面达车轮半径以上时，由于水浪的波动，
20、发动机极易将浪花水珠吸入汽缸。轿车为了加大充气效率，多利用朝前的集气管吸取机罩外密度较大的冷空气。该集气管位置较低，进水机会多。轿车主要电气元件，如电机、起动机、电脑等安装位置较低，极易进水。长期以来，渐渐的人们开始偏爱给汽车安装上各种各样的安全防护措施，但是由于各种原因一直未能提供在汽车水位过高时的有效安全措施，汽车路面水位过高车窗自动开启提示装置的研究，正是基于此考虑，使汽车路面水位过高时能有效提示车内人员及时打开车窗安全逃生，从而来保证人们的安全。为了解决这一空白的安全防护问题，针对汽车各种进水及水位过高导致危险的情况，提供了如下的分析。试想一下汽车行驶途中可能会遭遇水位过高的情况，可能
21、有以下几种：第一，行驶途中不慎落水；第二，前进或后退时意外行驶至水位较深处；第三，大雨甚至暴雨天气导致路面积水过高；第四，行驶时水花溅起，这也属于短暂的水位过高情况。在这里需要排除水花溅起时的错误警报以免用户接收到错误警报而慌张，同时，需要装置能在危险的时候给用户及时正确的提示。当水位行驶至水位较深处时能提示用户当前车外水位过高，在不慎落水时能提示用户在车内中控电路瘫痪前尽早打开车窗，避免错过最佳逃生时机，导致车内人员学 士 学 位 论 文BACHELOR S THESIS4被困车内发生危险状况。2.2 水位检测点与传感器的选择水位检测点的选择是至关重要的，水位检测点的水位高低应该能直接显示出
22、当前水位是否处于过高现象。是不是会影响汽车的行驶安全，会不会为车内人员的逃生带来阻碍，这些都是需要考虑的问题。查阅车辆驾驶安全方面的文献资料，总结得出车辆积水路面的临界安全行驶水位高度。对所有轿车车型都适用的临界安全形势水位高度为半个车轮高度，即车辆在水面低于半个车轮高度时行驶是安全的 2。所以在汽车半个车轮高度的位置设立水位传感器可以充分体现出行驶的水位是否安全。蓄电池作为汽车的大容量电容器，在水位未浸没蓄电池前可以有效向汽车的用电器供电 3。汽车遭遇路面水位过高处，为了在车窗锁死之前有效提示用户，需要在汽车蓄电池处安置一个水位检测装置。当车外水位过高时，车门可能会由于水的阻力无法打开，导致
23、车门被顶死。在这种危急情况下，车窗就是车内人员唯一的逃生通道，如果此时车内供电系统中断，中控锁死，可能会导致车窗无法开启，那么车内用户就会处于一种非常危险的状态。2.2.1 汽车蓄电池作为汽车必不可少的一部分蓄电池起着重要作用。汽车电气含有两个供电电源，即蓄电池和发电机。发电机为主电源，而蓄电池作为辅助电源。汽车的电源又是如何运作的呢？首先开启发动机，当其运转到一定转速后，达到规定的发电转速便开始向有关用电设备供电，同时对蓄电池进行充电。也就是说，汽车蓄电池在起动发动机期间，它向起动电机、点火电子燃油喷射和发动机的其它电气设备供电。当发动机停止运转或低怠速运转的时候，由蓄电池给汽车电器附件供电
24、。主副电源可以说是在有效地互补来供电，这样能够使设备在不同情况下都能正常有序地工作，其中，中控门锁作为汽车电器附件也由汽车蓄电池供电，在切断汽车蓄电池电源后，除非使用汽车钥匙从外围打开司机位的车门，否则中控门锁将无法开启。所以说在危急情况下，蓄电池作为辅助供电电源，在汽车无法行驶或瘫痪的情况下是需要被考虑在检测范围之内的。蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、极板联条、电解液和电极桩等组成。正负极板是进行能量转换的核心构件，发生电化学反应从而转换成电能。隔板能使正负极板更加靠紧而不容易发生短路。壳体要求耐酸、耐寒、耐震、绝缘性能好，有一定的机械强度。联条的作用是将单格电池串联起来，提高蓄电池学 士
25、学 位 论 文BACHELOR S THESIS5的端电压。电解液形成电离，促使极板活性物质溶离产生电化学反应。 7为了汽车安全的稳定性与密封性，本研究将采用免维护型蓄电池。免维护型蓄电池是用铅钙合金制造，由于蓄电池采用了铅钙合金做栅架，所以充电时产生的水分解量少，水分蒸发量也低，加上外壳采用密封结构，释放出来的硫酸气体也很少，所以它与普通蓄电池相比，具有不需添加任何液体、性能高、寿命长、无污染、免维护、安全可靠性强、电量储存时间长等优点。2.2.2 电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器是电容式液位传感器的一种，液位的变化能使电容值改变然后进行测量。作为采用电容探极的传感器，它的优点在于容
26、易加工，测量精度高。因为它没有可以移动的元件，所以有寿命长且可靠性高等优点。比起其它传感器，电容式液位限位传感器拥有新型的传感技术和电路，用于明显地提高传感器的总体精度，有效减少环境温度的影响和长期使用出现的各种问题。当将探极安装完成，内外将形成垂直的两根管道，此时两极板之间就组成了电容的电解质。一旦电解质为电容充电至限定值，那么就说明液体上升到了限位值。其中：D、d 分别为外电极内径和内电极外径； 、 分别为空气和0被测液体的介电常数；L 为两极板相互重叠部分的长度， H 为液位高度。在液位为零时，初始电容量 为：0C（ 2-)/ln(20dDL1）在液位为 H 时，电容变化量 为：xC（2-)/ln(H200xdD2）从水位上升至限定高度，接通电源的时间 T 为:（2-2lRCT3）
