便捷式老人過馬路安全車軟件系統(tǒng)設(shè)計

郭 松，何曉媛，付 悅，賈美英

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

便捷式老人過馬路安全車軟件系統(tǒng)設(shè)計

郭 松，何曉媛，付 悅，賈美英

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

在以AT89C51為控制器的安全車系統(tǒng)硬件平臺上設(shè)計了安全車模型的軟件系統(tǒng)。安全車模型的軟件系統(tǒng)主要包括交通信號燈檢測子程序，循跡子程序，障礙檢測子程序、安全門工作子程序及中斷服務(wù)子程序。其中交通信號燈檢測子程序主要用來檢測和識別交通信號燈；循跡子程序主要用來識別軌道信息；障礙檢測子程序主要用來檢測安全車前方是否有障礙物；安全門工作子程序主要用來實現(xiàn)安全門的開啟與關(guān)閉；中斷服務(wù)子程序可以在行駛過程中遇到特殊情況時人為的控制安全車停止。安全車系統(tǒng)模型通過軟件系統(tǒng)的控制，可以準(zhǔn)確地檢測交通信號燈，識別車體周圍障礙物，自動循跡前行以及控制安全門的開關(guān)，模擬幫助老人通過十字路口。

循跡；交通信號燈檢測；障礙檢測；中斷服務(wù)

根據(jù)英國健康調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有93%的老年女性和84%的老年男性有行走障礙，且目前各十字路口的綠燈時間短，老人過馬路很不方便、不安全。據(jù)我國交通管理部門的不完全統(tǒng)計，在2015年全國交通事故中，涉及60歲及以上老人的交通事故占總事故的34%。對于這一現(xiàn)象，國內(nèi)外的各有關(guān)部門只是做了一些理論方面的調(diào)查分析，提醒老人過馬路時多注意周圍環(huán)境，并沒有有效的措施來解決這一問題。因此，設(shè)計一款能幫助老人安全過馬路的機器模型很重要。本文旨在設(shè)計基于安全車系統(tǒng)模型硬件平臺上的安全車系統(tǒng)軟件，可安全通過自主構(gòu)建的十字路口，模擬幫助老人過馬路。相比于現(xiàn)實生活中老人對于過馬路時可能出現(xiàn)的各種問題，安全車可以更加安全便捷地幫助老人通過馬路，在一定程度上可以減少交通事故，降低交通隱患，減小交通壓力。

1 安全車軟件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在以AT89C51為控制器的安全車系統(tǒng)硬件平臺上設(shè)計了安全車模型的軟件系統(tǒng)。整個系統(tǒng)軟件流程圖如圖1所示,主要包括交通信號燈檢測子程序，障礙檢測子程序，循跡子程序，安全門驅(qū)動子程序及中斷服務(wù)子程序。安全車軟件系統(tǒng)[1]的設(shè)計，可以使安全車系統(tǒng)模型順利通過自主構(gòu)建的十字路口。安全車系統(tǒng)工作時，在馬路對面的交通燈為紅燈或黃燈的情況下靜止，綠燈亮起時，安全車開始沿設(shè)定的軌道循跡前行；在運行過程中，對車體前方100°錐角3 m范圍內(nèi)活動的人體及車體正前方障礙物進行檢測，檢測到障礙時可以及時停車；安全車行至停靠點，檢測到停止標(biāo)志安全停車，同時打開安全門供老人上下車。如此往返運動，實現(xiàn)安全車模型模擬幫助老人過馬路。

圖1 主程序流程圖

1.2 交通信號燈檢測子程序的軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能的需求，設(shè)計了交通信號燈檢測的子程序，主要用來檢測交通信號燈的狀態(tài)。其軟件設(shè)計流程如圖2所示，在馬路對面交通信號燈不斷變化的過程中，利用光敏電阻對交通燈的狀態(tài)進行檢測：檢測到紅燈亮?xí)r，安全車靜止并繼續(xù)對交通燈進行檢測；檢測到黃燈亮?xí)r，安全車依然靜止并繼續(xù)對交通燈進行檢測；檢測到綠燈亮?xí)r，安全車開始循跡前行。

圖2 交通信號燈檢測的軟件流程圖

1.3 障礙檢測子程序的軟件設(shè)計

障礙檢測子程序主要用來感應(yīng)安全車前方是否有行人及其他障礙出現(xiàn)，避免沖撞到障礙物導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。障礙檢測的總軟件流程圖如圖3所示。本子程序共分為兩個部分：一部分是檢測活動人體[2,3]的軟件設(shè)計，主要用來檢測安全車車體前方100°錐角3 m范圍內(nèi)活動的人體；另一部分是檢測車體正前方障礙物的軟件設(shè)計，主要用來檢測車體正前方可能出現(xiàn)的障礙物。

圖3 障礙檢測的總軟件流程圖

當(dāng)行人進入安全車車體前方100°錐角3 m范圍內(nèi)時，利用人體與周圍環(huán)境溫度有溫度差，人體的移動會造成外界紅外能量變化的原理，PIR檢測到移動人體與背景物之間的紅外熱輻射能量變化并轉(zhuǎn)化為電信號，將信號放大、濾波，濾除噪聲干擾，此時模塊的輸出端將輸出高電平，單片機控制安全車停止運行。人離開感應(yīng)范圍時將自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平，單片機控制安全車?yán)^續(xù)前行。

車體前方的其他障礙物用紅外傳感器檢測，紅外發(fā)射管發(fā)出一定頻率的紅外線，當(dāng)車體前方出現(xiàn)靜止行人或其他障礙物時，紅外線反射回被接收管接收，經(jīng)比較器處理后，傳感器的輸出端口反饋給單片機低電平信號，電機停止，安全車停止前行；直至障礙物消失，發(fā)射出去的紅外線不再反射回被接收管接收，傳感器輸出端口反饋給單片機高電平信號，安全車?yán)^續(xù)循跡前行。

1.4 循跡子程序的軟件設(shè)計

循跡部分[4-6]用來檢測設(shè)定安全車運行的黑色軌道位置。根據(jù)循跡子程序接收端接收到的反射光線的強弱來判斷是黑色軌道還是白色路面，單片機根據(jù)傳感器反饋回來的檢測信息對安全車的行駛方向進行調(diào)整，使安全車能夠沿黑色軌道運行。

圖4 循跡的軟件流程圖

循跡軟件流程如圖4所示。循跡子程序采用4個紅外傳感器，分別置于車的前后兩邊，為了方便，以安全車為主體分別記為左前、右前、左后和右后。當(dāng)車前探頭工作時，車后探頭不工作，車后探頭工作時，車前探頭不工作。以車前探頭工作為例，循跡的情況如下所示：若左前、右前(0，0)都未檢測到黑線，安全車直行；若左前未檢測到黑線，右前檢測到黑線(0，1)，安全車右轉(zhuǎn)；若右前未檢測到黑線，左前檢測到黑線(1，0)，安全車左轉(zhuǎn)；若左前、右前都檢測到黑線(1，1)即檢測到停止標(biāo)志，安全車停止運行。

1.5 安全門工作子程序的軟件設(shè)計

在安全車系統(tǒng)模型的運行過程中，若遇到停止的標(biāo)志(?？奎c前方的黑色標(biāo)志)，安全車停止的同時安全門開始工作：單片機控制P1.1口輸出低電平、P1.2口輸出高電平并延遲0.5 s，驅(qū)動連接在安全門門軸上的電機正轉(zhuǎn)來帶動安全門的打開；單片機控制P1.1與P1.2口同時輸出低電平并延遲20s，使連接在門軸上的電機停止，即安全門的打開狀態(tài)保持不變，在此期間內(nèi)，方便老人上下車；單片機控制P1.1口輸出高電平、P1.2口輸出低電平并延遲0.5s，驅(qū)動連接在門軸上的電機反轉(zhuǎn)來帶動安全門的關(guān)閉(P1.1、P1.2為驅(qū)動安全門的驅(qū)動輸出端連接在單片機上的端口)。

1.6 中斷服務(wù)程序設(shè)計

安全車運行在道路中間的過程中，為了避免突發(fā)狀況發(fā)生時安全車的安全門不能夠自動打開，需要在車廂內(nèi)部和外部分別設(shè)計一個開關(guān)，可以人為的對安全門進行操控。車廂上開關(guān)的設(shè)計即為安全車系統(tǒng)中的一個中斷[7-9]，中斷服務(wù)程序流程圖如圖5所示。

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

當(dāng)突發(fā)狀況發(fā)生時，人為的將內(nèi)/外部開關(guān)閉合，發(fā)出中斷請求，進入中斷服務(wù)程序，安全車停止運行且車廂上的安全門打開供老人下車，若開關(guān)打開時，系統(tǒng)認(rèn)為突發(fā)狀況處理完畢，安全門關(guān)閉。

2 軟件系統(tǒng)的調(diào)試

經(jīng)多次對安全車軟件系統(tǒng)的調(diào)試得出：安全車模型可以準(zhǔn)確地檢測到交通信號燈的狀態(tài)，在紅燈與黃燈亮起時原地等待；只有在綠燈亮起時才開始前行；在前行的過程中，安全車模型可以按設(shè)定的黑色軌跡道運行，同時檢測安全車車體前方100°錐角3 m范圍內(nèi)的行人及車體前方的其它障礙并伴有提醒行人注意的提示音，在抵達馬路兩邊時，車體上的兩個紅外傳感器同時檢測到停止標(biāo)志(停靠點前方的黑色標(biāo)志)，安全車停止，安全門打開供老人上下車。

在進行檢測交通信號燈的調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，安全車系統(tǒng)模型在交通燈變化的瞬間會稍作延遲后再執(zhí)行下一指令，檢測得延遲的時間約為0.5 s，所以最終在安全車識別到綠燈時，約有0.5 s的反應(yīng)時間，應(yīng)該把這一反應(yīng)時間從安全車的運行時間中除去，使安全車模型可以在有效時間內(nèi)通過馬路。

在設(shè)計驅(qū)動安全車的子程序時，是通過改變使能端的電平高低來改變安全車的運行狀態(tài)，對調(diào)試結(jié)果進行記錄并分析得到以下結(jié)論：使能端ENA、ENB為0時，安全車停止；使能端ENA、ENB為1有效時：IN1、IN2為低電平且IN3、IN4為高電平，安全車向左轉(zhuǎn)；IN1、IN2為高電平且IN3、IN4為低電平，安全車向右轉(zhuǎn)；IN1、IN2、IN3與IN4都為高電平，安全車直行。驅(qū)動子程序的調(diào)試結(jié)果如表1所示。(X代表任意情況)

表1 驅(qū)動子程序調(diào)試結(jié)果記錄圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計的安全車軟件系統(tǒng)可以支撐安全車系統(tǒng)模型實現(xiàn)在自主構(gòu)建的十字路口模型中模擬幫助老人過馬路，可以為現(xiàn)實中老年人安全方便過馬路提供一種方式，讓老年人不再擔(dān)心因交通燈綠燈顯示時間短而無法通過馬路而擔(dān)憂。通過本文的安全車模型及其軟件系統(tǒng)設(shè)計，可以呼吁社會上的有關(guān)部門更多地關(guān)注老人過馬路的安全問題，而本文的設(shè)計為老人過馬路的安全問題提供了一種現(xiàn)代科技的解決手段。

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The Software System Design of the Safety Vehicle Which Can Help Elderly to Cross the Road Conveniently

Guo Song, He Xiaoyuan, Fu Yue, Jia Meiying

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,TaiyuanShanxi030024，China)

The software system of the safety vehicle model is designed based on the hardware platform of AT89C51. The software system of the safety vehicle model includes traffic signal detection module, tracking module, obstacle detection module, safety doors drive module and interrupt service module. The traffic signal detection module is mainly used for the detection and recognition of traffic lights; the tracking module is mainly used to track identification information; obstacle detection module is mainly used to detect whether there are obstacles in front of the safety vehicle; safety doors drive module are mainly used to achieve the opening and closing of safety doors; the interrupt service module is mainly used to artificial control the safety vehicle driving in special circumstances. The safety vehicle system model, through the system control software, can accurately detect traffic lights, identify obstacles around the vehicle, automatic track forward and control the switch of the safety door, and help the elderly through simulation crossroads.

tracking; traffic signal detection; obstacle detection; interrupt service

2017-05-25

郭 松(1971- )，男，山西長治人，北京科技大學(xué)本科畢業(yè)，研究方向：計算機控制。

1674- 4578(2017)04- 0059- 04

TN362;TP212.9

A