汽车路面水位过高车窗开启提示装置的设计大学本科--本科毕设论文.doc

学 士 学 位 论 文 BACHELOR S THESIS 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24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 puddles 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. The 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 always concern its entertaining; ignoring developing of security warning function. And it causes many cars 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 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 ringing 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, prompt opening device, the water level sensor, safety 目录中文摘要1ABSTRACT11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 10.0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 1、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，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。1.2 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Quartus 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，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能得到真正能投入使用的产品。 2、 提示装置的设计方案 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，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。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： （2-1）在液位为H时，电容变化量为： （2-2）从水位上升至限定高度，接通电源的时间T为: （2-3）如图2-2所示，棒状电极外面包裹四氯乙烯套管，当外部液体的液面上升至设定值时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大，传感器输出高电平。 图2-1 电容式传感器原理（1内桶 2外桶） 图2-2 电容式液位限位传感器电容式液位限位传感器的优点在于，它给出的不是模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。图2-3 智能化液位限位传感器的设定按钮电容式液位限位传感器作为智能化液位传感器，它的设定方法也十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定值。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。2.2.3 进气口与排气管（备选方案）车辆进气口和排气管安装位置普遍都略高于半个车轮，轿车半个车轮高在30厘米左右，视轮胎型号不同略有差异10 。由于本次方案设定液位限位传感器高度在半个车轮位置，理论上略低于汽车进气口和排气管高度，所以在进气口和排气管处安装检测点作为备选方案供参考使用。使用备选方案的优点在于，在保护人身安全的同时也能够兼顾财产，作为拓展项，在进气口和排气管处添加检测点使装置能够在各方面提供有效的保护和预示。安装于发动机排气岐管和消声器之间的排气管，它的结构使整个排气系统呈挠性联接，目的是起到减振降噪、方便安装和延长排气消声系统寿命的作用。排气管主要用于各种车型，例如轻型车、微型车、客车以及摩托车，排气管结构是双层波纹管外覆钢丝网套，两端直边段外套卡环的结构。排气管的主要材质是不锈钢，卡套和接管材质可为不锈钢或镀铝钢。那排气管有没有可能进水导致熄火呢？答案是否。因为排气管末端有消声器，消声器内有较大空间，如果少量进水好比洗车时发动机工作会产生的水蒸气，例如这些情况，一般会通过底下的排水孔漏掉这些少量进水；如果大量进水，例如涉水倒灌、低洼停车熄火时漫水进去，这样会在消声器内一些死角残留最终容易出现锈蚀烂穿的情况，但是一般的漫水并不足以使水压堵住行驶中的排气管的废气产出。查阅相关资料，有人曾做过这样一个实验：将车完全浸泡在水中并且熄火，等水灌满排气管再点火。出人预料的结果是：排气管非但没有被水堵住，水反而被强大的排气压力完全排出，发动机点火成功。实验结果可能有些出乎意料，但是我认为在一般情况下，我们在保护人身安全的同时也应该考虑财产安全。排气管进水仍然有可能导致三元催化器损坏，为了以防万一，比较保守的方法是，在通过漫水处时车辆采取挂低档大油门平稳行驶通过涉水区，因为如果高速通过则会出现因前轮及保险杠、前脸格栅等造成水花飞溅到发动机舱打湿高压线等导致熄火；或者水流涌上进入进气管空气滤芯、最终进入发动机造成憋死熄火。所以说排气管进水可能性较小，只要汽车不熄火，汽车排气时会将水往外顶，两者达到一个平衡，水很难进去。2.2.4 渐响式蜂鸣器蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。如图2-3所示，本电路参考采用了555芯片组成的渐响式蜂鸣电路，其特点是警报器将发出由弱到强的音响。如图2-3所示，IC1及R1、C1组成一个延时开关电路，IC2及R4、R5、C2组成一个频率为800Hz左右的多谐振荡器。当报警器的触点将该电路的电源接通时，由于电容器C1上的电压不能突变，555的2脚为高电平。此时，555的输出端呈低电平，二极管D1截止。由于调整管Q1的Vce压降大，加至IC2的电源电压低，IC2发出的音响较弱，声音柔和。随着电源对C1的充电，当IC1的2、6脚的电位下降至三分之一VDD时，电路翻转，3脚变为高电平，这段充电延迟时间约为8秒。之后，由于D1导通，Q1管的b极电位变高，调整管压降Vce因饱和变得很小，因而加至IC2的电压接近于9V，电路发出的音响猛增。值得说明的是，IC1延时电路的延时和IC2多谐振荡器的振荡频率与电源电压的高低关系甚小，主要取决于电路的充放电时间常数RC。图2-3 555芯片组成渐响式蜂鸣电路蜂鸣器通常工作电流比较大，一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，需要增加一个电流放大的电路才可以，所以综合考虑决定增加一个三极管Q2来增加通过蜂鸣器的电流。蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流，D2作用就是为了防止蜂鸣器两端产生几十伏特的尖峰电压，防止损坏三极管，保护整个电路系统的其它部分不被干扰。C5作为滤波电容，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可以改善电源的阻抗。三极管Q2起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。使用渐响式蜂鸣电路的优点在于，由弱至强的报警音更易引起人们注意。另外，车内人员能够通过声音的强弱判别此时车外持续高水位时间的长短，即使在驾车无暇顾及LED闪烁情况，仍能随时通过声音信号知晓当前水位持续时间的长短，来判别当前是否危险。2.3 设计方案水位传感器有五只，其中四只分别安装在汽车头部与尾部的左右两侧，半个轮胎高度的位置上。考虑到汽车前进或后退可能跌入水位过高处，汽车四周将先接触到水面，尽可能保证汽车在任何情况下都能及时报警。另一只安装在汽车蓄电池底部，由于蓄电池能在发动机停止时提供汽车电器附件的供电，蓄电池并不防水，而且进水会导致车内中控车窗系统中断，所以在蓄电池底部安装水位传感器。报警装置将采用渐响式蜂鸣器。蜂鸣器的特点是体积小、单价低、寿命长、发音高。由于人们对声音信号比光信号敏感，在警报持续时间较长的情况下，由弱至强的报警音更易引起车内人员注意。故选用蜂鸣器作为报警器。停止警报按钮直接控制报警装置，一旦按下停止警报按钮则终止蜂鸣器鸣响，并且清除各种寄存器内的值，初始化程序。LED始终与车外水位是否安全相关。LED不受停止警报按钮的控制是因为用户在某些特殊状况下无法确认车外水位状况，在消除警报声后，LED仍然闪烁则说明车外水位依旧过高，不可盲目打开车门以防止车内进水。这样双重的报警和提示信号显得十分人性化。2.3.1 程序流程的介绍图2-4 程序运行流程图该报警研究装置将利用Verilog HDL仿真程序来完成。首先根据实际情况设置五个水位检测点的安放位置及传感器类型。如图2-4程序运行流程图所示，一旦汽车外围水位达到危险值，将触发传感器产生高电平。如果a、b、c、d、四个传感器同时触发警报，那么说明此时属于危险水位，将立刻报警。其它情况下如触发警报，那么将会有延迟效果可能触发报警，也就是说，只有当触发的高电平持续到一段时间才可能致使警报触发。这是因为可能遇上雨天或某些特殊情况，导致报警装置误判，这不但会给驾车人造成错误提示，还将造成不必要的恐慌。为了避免这种情况，所以加入了计数器来计算高电平持续时间，寄存器用来保存和清除当前报警状态。2.3.2 设计原理根据优先级别将电路分为了两级，如下图2-5所示为第一级水位检测点触发报警电路的原理图，a、b、c、d为设立在半个车轮高度的四个水位传感器。把发生四个轮子同时浸入水中的情况出现，视为最紧急的一种状态。传感器连通与门直接接通报警电路。报警电路请参考图2-7。图2-5 危急情况触发电路优先级别第二级原理图如下图2-6所示，当情况并非十分危急，但是发生车外局部水位过高状况时，将使用危险应对方法。车外局部水位过高会导致各种危险情况，有可能致使线路进水从而导致车内中控车锁锁死。为了让装置能够正确判断是否车外局部水位过高，使用计数器来进行判别。计数器设置为六位二进制型计数器，计数器输入端接传感器输出端，当系统不同步时使用复位端可以重置整个系统电路，参考图2-7，复位端低电平有效。图2-6 危险情况触发电路下图2-7为报警电路的原理图，或门连接图2-5与图2-6所示的两种触发电路，无论哪种触发电路触发警报都将使得警示灯LED灯长亮起直至水位恢复安全值，当然，也可使用复位端使系统重置，这样也可以消除LED灯的闪烁。与此同时，控制蜂鸣器和车窗提示灯的寄存器接受到输入的高电平后也将输出高电平至蜂鸣器和提示打开车窗车门的指示灯，产生渐响的警报铃声。停止警报按键的功能是把控制蜂鸣器和车窗提示灯的寄存器清零。因为在某些情况下持续的报警声可能会给人带来困扰或者过大的精神压力，导致错误的行为和反映。但是关闭警报，并不代表危险已经解除，为了避免关声音造成的麻痹大意，LED灯始终与触发电路的输出保持一致，即只要有警报存在，警示灯LED就不会熄灭。而且一旦水位持续不退或者继续升高，两种警报触发电路表示满足了延迟报警时间则视为不安全，与或门连接的寄存器会翻动到报警状态。等到水位线退回到安全范围以内，触发电路不再输出高电平，警示灯LED才会停止工作。并且，复位端在任何情况下输出低电平都能够重置整个系统电路，包括两个寄存器和所有计数器，使整个报警系统恢复到最初的状态。图2-7 报警电路原理图 3 提示装置的电路设计3.1 Quartus II 10.0软件简介 3.1.1 Quartus II 10.0 软件简介Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用TCL脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。Maxplus II 作为Altera的上一代PLD设计软件， 由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前Altera已经停止了对Maxplus II 的更新支持，Quartus II 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera在Quartus II 中包含了许多诸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的设计辅助工具，集成了SOPC和HardCopy设计流程，并且继承了Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。3.1.2 Quartus II 软件设计步骤Quartus II的设计流程与过去传统意义的电子设计大不相同。尤其表现在以下几个方面：例如传统设计是自底向上的设计，合格产品的设计总要反复多次试验，次数主要取决于经验而且必须制成成品才能进行仪器测量。而Quartus II采用的是自顶向下的设计，更有效缩减了设计成本和设计周期，使程序的表现更接近于常规思维方式，其作为标准产品方便用于测试。最大的特点在于，对设计者的编写经验要求低，保密性强和集成度高。如图3-1显示了使用Quartus II 进行设计的各主要环节。图3-1 Quartus II主要设计环节首先根据设计方案，利用编写程序源代码进行设计输入，该研究装置主要运用到了Verilog HDL输入方式。在完成设计输入之后，即可对其进行分析和综合，其中先进行语法的分析与矫正，然后根据逻辑设计的描述和各个约束条件进行编译、优化、转换和综合，来获得门级电路甚至更底层的电路网表描述文件。进行功能仿真就是直接对Verilog HDL和原理图描述进行模拟测试。若功能仿真结果满足逻辑设计，则可执行布局布线，目的是将综合后产生的网表文件配置于指定的目标器件中，将工程的逻辑和时序要求与器件的可用资源相匹配，将各个逻辑功能分配给最好的逻辑单位位置进行布线和时序，并选择相应的互连路径和引脚分配。时序仿真接近真实器件运行特性的仿真，仿真精度高，通过建立和编辑波形文件来执行仿真波形的模拟分析。还可以进行最少的时序分析，报告最佳时序情况的结果，验证驱动芯片外至管教信号的时钟延时。最后为了对设计工程进行硬件测试，应将其输入输出信号锁定在芯片确定的引脚上，将下载或配置文件通过编程电缆向FPGA或CPLD进行下载，以便进行硬件调试和验证。3.2 硬件电路的设计3.2.1 设计要求首先，需要在排除错误警报的情况下还能及时有效的报警。错误警报可能是由于汽车路过水塘溅起水花导致，也可能是由于雨天水滴渗入所致。全方面考虑汽车可能进入水位过高处的情况。如果是驾驶车辆不慎落入水中，那么在掉入水中之后车轮马上浸没，理论上此位置的四个水位传感器在非常短的时间内就能感应到高水位，而蓄电池位置的水位传感器由于设立在车身内且在较高位置。由于落水情况为危急情况应当立即报警，所以该种报警情况应该为最优先状态，不设有延时机制。如果汽车前进或后退时意外行驶至积水较深处，该情况是属于危险状态，较危急状态而言优先级较低，在一般情况下车主接受到报警时可以主动避免该情况发生。如果汽车是在停靠车辆时遭遇大雨甚至暴雨天气，而导致车外积水的水位过高，与前一种情况同属危急状态，共享延时。如果在行驶中水花溅起造成短暂的水位过高情况，这是应该要避免的，延时的功能也在此体现。根据优先级别，分为两级，第一级是当处于下方的四个水位传感器同时触发时，报警系统立刻报警，警示车主及时打开中控门锁，防止蓄电池短路锁死车门。第二级别是，在其它情况下，若有任何一方传感器检测有持续两秒以上高水位，则报警，若检测不足两秒则说明是误报，寄存器将自动归零，重新计算。其基本实现排除错误警报，及时有效报警的功能。3.2.2 设计步骤 1、新建Verilog HDL 文件，输入Verilog HDL代码如图3-2所示：图3-2 Quartus II Verilog代码2、对应程序模块生成各个模块原件图，如图3-3所示：图3-3 各个功能原件图如上图所示，生成计数比较模块、报警模块与LED报警灯模块。其中clk为时钟输入信号，reset为系统复位信号，button为停止警报按钮，a、b、c、d、e分别为五个水位检测输入信号点，alarm、LED、LED_on为输出信号。信号处理模块主要完成数据的比较。共设置了五个水位检测点作为采样点，每个采样点的延迟设置相同，每个水位检测点都有采样计数器和采样结果寄存器。计数器可以自行设定位宽，本次实验下设置了六位，最高计数到32。根据优先级别，当a、b、c、d四个水位传感器同时采样到高电平，无需计数立刻报警。安全情况下或者系统复位则计数器清零，采样点出现高电平则开始计数，采样结果寄存器寄存的是计数器的最高位值。当最高位为高电平时寄存1，表示需要报警，信号处理模块向报警模块及LED_on输出高电平。但如果未达到此要求，即未达到连续采样时间，或当系统复位时则不向报警模块输入高电平。在采样计数没有达到持续时间的上限，即未触发报警，计数器将自动归零，不累计时间。报警模块的两个输入端分别为信号处理模块的输出端和LED模块的输出端，如果系统复位或者信号处理模块显示采样点计数结果为低电平，那么按键寄存器button_reg主动归零，这就是说当没有发生异常情况时，按键是没有任何作用的。alarm寄存器是置入在报警模块中的报警寄存器，安全情况下或者强制停止按钮按下之后，即button_reg置零，alarm寄存器清零，不报警。当信号处理模块输出信号表示采样满足延迟报警时间，出现水位过高现象，需要报警，那么alarm寄存器置1，此时若按下停止警报button键，button_reg一旦有上升沿触发，alarm归零、采样点归零，停止警报。windows_on为车窗开启信号，原理同alarm信号一样。LED报警灯模块闪烁始终与水位是否安全有关。该功能模块运作单纯是看五个采样点是否有条件触发警报，那么LED_reg置高电平。LED_on寄存器值置1，同时LED灯点亮。若五个采样点都安全，则LED_reg发出低电平，那么LED_on同样置低电平，LED警报灯会自动熄灭，寄存器清零。3.3成果图3-4 模块连线图在对三个模块连线后得到如图3-4所示的连线图，时钟信号clk和复位信号reset连接信号处理模块的两个系统类型输入端，a、b、c、d、e连接信号处理模块的信号输入端，通过对a、b、