基于STM32的可升降智能減速帶系統(tǒng)

崔婧琪，薛博雅，劉 帥，胡雍怡，吳 帆，陳 薇

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230002）

隨著國(guó)內(nèi)的汽車業(yè)的發(fā)展，中國(guó)居民汽車保有量成倍增長(zhǎng)，車輛增多也導(dǎo)致交通事故發(fā)生率上升，道路行駛的安全性愈發(fā)受到重視。為提升安全性，交管部門會(huì)在事故高發(fā)路段設(shè)置警示牌，如“前方事故高發(fā)路段，請(qǐng)減速行駛”“前方學(xué)校路段，請(qǐng)減速行駛”等，然而設(shè)立警示牌的減速效果與司機(jī)本身有密切關(guān)聯(lián)，車齡較長(zhǎng)或是對(duì)路段較熟悉的的司機(jī)常常對(duì)標(biāo)牌視若無(wú)睹，并不會(huì)因此采取減速措施。有些道路采用形式多樣的測(cè)速系統(tǒng)，卻受制于拍攝角度、后期檢修維護(hù)等因素，無(wú)法全面普及。在此背景下，減速帶應(yīng)運(yùn)而生。

中國(guó)城市道路交通發(fā)展時(shí)間較早，發(fā)展初期，生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)計(jì)方案和使用成本均有限，道路上設(shè)置的減速帶較多采用傳統(tǒng)的梯形和半弧形結(jié)構(gòu)，通過影響駕駛?cè)说男睦韥?lái)實(shí)現(xiàn)減速。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的減速帶雖然成本較低，但是對(duì)于車輛的實(shí)際減速效果并不理想，且容易造成底盤磨損等，使車輛使用壽命降低。一些針對(duì)傳統(tǒng)減速帶的調(diào)研報(bào)告也顯示，通過減速帶時(shí)，無(wú)論車輛速度高低，駕駛員與乘車人均感受到明顯震動(dòng)，乘車體驗(yàn)感較差。目前發(fā)生的超速造成的交通事故中，傳統(tǒng)減速帶對(duì)車輛的傷害也不容忽視。隨著中國(guó)近年來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，與城市道路交通相關(guān)的配套設(shè)施也愈發(fā)完善，人們逐漸意識(shí)到了傳統(tǒng)減速帶的弊端。

針對(duì)上述問題，擬設(shè)計(jì)一種可升降智能減速帶。智能減速帶通過單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)路段行車速度的管制，在確保基礎(chǔ)行車安全的同時(shí)，降低駕駛?cè)藛T的顛簸感，減少對(duì)通過車輛的傷害。輔以對(duì)斑馬線上行人通過情況的監(jiān)測(cè)和夜間的指示燈功能，使得傳統(tǒng)減速帶的安全性得到進(jìn)一步的提高和拓展。

1 新型減速帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了將減速帶智能化，傳統(tǒng)的減速帶結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再適用。為了將電子器件與減速帶有機(jī)結(jié)合起來(lái)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了這種新型減速帶的結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)預(yù)期技術(shù)目的的基礎(chǔ)上，減速帶的設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、升降動(dòng)力傳遞的靈活性以及安裝與維護(hù)的難易程度等因素。

每一塊減速板單元主要包括2塊減速板側(cè)板和1塊減速板頂板以及外部的起緩沖作用的橡膠。在外觀和規(guī)格上，預(yù)期的減速帶與目前市場(chǎng)上的普通減速帶基本一致，能滿足所需的減速需求。

新型減速帶外觀如圖1所示。

圖1 新型減速帶外觀模型圖

升降結(jié)構(gòu)部分主要包括底部支撐板、電動(dòng)推桿、加長(zhǎng)桿、上層支撐板、剪刀撐，新型減速帶側(cè)面模型如圖2所示。其中，電動(dòng)推桿為系統(tǒng)的主動(dòng)件，主動(dòng)件能夠在控制模塊的控制下，精確地通過電動(dòng)推桿伸縮的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸出。其余零件為從動(dòng)件，動(dòng)力從電動(dòng)推桿裝置依次通過上層支撐板、剪刀撐傳遞到減速板，從而實(shí)現(xiàn)所述機(jī)構(gòu)的升降預(yù)期。

圖2 新型減速帶側(cè)面模型圖

在所述機(jī)械結(jié)構(gòu)中，考慮到機(jī)構(gòu)的使用環(huán)境，在使用過程中會(huì)受到車輪的撞擊而產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力，為避免主動(dòng)件受橫向沖擊力，因此不采用將減速板與電機(jī)裝置直接相連的措施，而是在減速板與電動(dòng)推桿裝置間加裝了剪刀撐結(jié)構(gòu)來(lái)承受橫向分力。

2 新型減速帶電氣硬件設(shè)計(jì)

新型智能減速帶系統(tǒng)的各模塊電氣連接如圖3所示。

圖3 新型智能減速帶系統(tǒng)各模塊電氣連接

2.1 地感線圈測(cè)速模塊

地感線圈測(cè)速是一種基于電磁感應(yīng)原理的測(cè)速方法，它由2組埋在路面下的地感線圈與1個(gè)車輛檢測(cè)器組成。當(dāng)車輛通過時(shí)，其金屬底板與線圈之間發(fā)生磁感應(yīng)，使線圈的電感值減小，測(cè)速系統(tǒng)回路的調(diào)諧頻率發(fā)生變化。車輛通過2個(gè)地感線圈產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過整形后處理成矩形波，已知2個(gè)線圈的距離，計(jì)算信號(hào)的時(shí)間間隔即可得到車輛的速度[4]。

擬將2組電感線圈安裝于減速帶后方（以車輛前進(jìn)方向?yàn)榍胺?，下同? m和10 m處，車輛通過后，車速檢測(cè)器將車輛的速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸至單片機(jī)，由單片機(jī)判斷車輛是否超速，進(jìn)而下達(dá)指令給升降模塊，完成下一步功能。

2.2 行人檢測(cè)模塊

紅外傳感器可以利用熱釋電效應(yīng)將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。進(jìn)入感應(yīng)范圍后，人體發(fā)射的8～14μm紅外線通過菲涅爾濾光片調(diào)制后聚焦到敏感源上。敏感源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路放大和濾波等處理后就能輸出電信號(hào)[5]。

HC-SR501是應(yīng)用廣泛的人體感應(yīng)模塊，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，使用簡(jiǎn)單，檢測(cè)范圍和延時(shí)時(shí)間可以根據(jù)使用需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。將人體感應(yīng)模塊安裝在斑馬線靠近人行道的兩側(cè)，當(dāng)檢測(cè)到行人通過時(shí)，由OUT端輸出一個(gè)高電平并傳回單片機(jī)。在設(shè)置的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，如果有行人在感應(yīng)范圍內(nèi)走動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，傳感器范圍內(nèi)無(wú)人時(shí)，OUT端恢復(fù)低電平。單片機(jī)通過接收的信號(hào)電平判斷斑馬線是否有行人通過，并發(fā)出下一步指令。

2.3 超聲波測(cè)距模塊

測(cè)距可通過超聲波的發(fā)射與接收來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波發(fā)射器可向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波停止計(jì)時(shí)。

考慮到智能減速帶可能工作于氣候潮濕、雨水較多的地區(qū)，且測(cè)距模塊不應(yīng)在路面占用過多空間，以免對(duì)車輛的正常行駛造成不便，擬采用一種帶有一體化封閉式防水帶線探頭的JSN-SR04T超聲波測(cè)距模塊。將測(cè)距模塊緊貼減速帶前方安裝，若接收器檢測(cè)到有信號(hào)返回，則通過I/O口輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)量距離=（高電平時(shí)間×聲速）/2，聲速可取340 m/s。車輛通過減速帶時(shí)，測(cè)距模塊所測(cè)距離明顯減小，I/O口輸出的高電平時(shí)長(zhǎng)變短。當(dāng)車輛完全通過后減速帶后，測(cè)距模塊輸出變?yōu)檎Ｖ?。輸出的電信?hào)被單片機(jī)接收，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算得到此時(shí)測(cè)距模塊所測(cè)距離大小，判斷車輛是否完全通過減速帶，并完成下一步功能。

2.4 LED模塊

安裝LED燈用來(lái)顯示減速帶的升降狀態(tài)，可以更加有效地提醒司機(jī)和行人并做好準(zhǔn)備。當(dāng)減速帶升起時(shí)，LED燈顯示紅色；當(dāng)減速帶降落時(shí)，LED燈滅。

2.5 無(wú)線遙控模塊

鑒于智能減速帶控制單元位于路面下方，遙控信號(hào)需要具有良好的穿透力和穩(wěn)定性。因此，擬采用基于PT2262/2272編解碼電路的無(wú)線遙控套件對(duì)減速帶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。預(yù)設(shè)的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過編碼模塊編碼、調(diào)制、放大、輸出，被解碼接收模塊接收并解碼出數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)指令控制減速帶的升降。

2.6 基于電動(dòng)推桿的升降模塊

在緩沖帶所在的地面下方鋪設(shè)相應(yīng)數(shù)量的電動(dòng)推桿，以實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖帶的工作狀態(tài)的控制。將電動(dòng)推桿和往復(fù)式電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)模塊與單片機(jī)進(jìn)行連接，在對(duì)相應(yīng)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)處理同時(shí)，也可以通過控制電機(jī)上升的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)緩沖帶上升高度的控制。

部分傳感器實(shí)物如圖4所示。

圖4 部分傳感器實(shí)物圖

3 新型減速帶電氣軟件設(shè)計(jì)

智能減速帶系統(tǒng)在工作時(shí)，由地感線圈模塊檢測(cè)車輛是否超速，行人檢測(cè)模塊檢測(cè)斑馬線上是否有行人，超聲波測(cè)距模塊判斷前一車輛是否完全通過，無(wú)線遙控模塊接收控制指令。當(dāng)前三者全部滿足時(shí)，即車輛超速，斑馬線上有行人，前一車輛已經(jīng)完全通過，STM32核心板發(fā)送減速帶升起指令，從而控制電動(dòng)推桿和LED燈（如圖5所示）。在特殊情況下，減速帶的升起狀態(tài)可通過人為控制，即通過無(wú)線遙控發(fā)出減速帶升起指令，這時(shí)，即使不滿足前三個(gè)條件，STM32核心板依然發(fā)出減速帶升起指令。

圖5 電氣軟件部分流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

可升降智能減速帶系統(tǒng)采用的所有技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研究中廣泛采用，技術(shù)十分成熟，理論上是可行的。整體適應(yīng)性好，應(yīng)用范圍廣，對(duì)于減速帶可設(shè)可不設(shè)的尷尬地段、學(xué)校之類的分時(shí)段限速路段、易受霧雪天氣影響的交通事故黑點(diǎn)路段均能適用，綜合效益較高，有利于改善交通整體環(huán)境，結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的主題，實(shí)現(xiàn)綠色交通。