基于單片機(jī)的智能型頭盔設(shè)計(jì)

朱貴憲，馬 聰

(安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

0 引言

為保障騎行者的人身安全，近年來交通管理部門出臺(tái)規(guī)定，要求電動(dòng)車騎行人必須佩戴頭盔，以保護(hù)其生命安全。目前，評(píng)價(jià)頭盔質(zhì)量的優(yōu)劣主要是考慮其結(jié)實(shí)程度即耐受多大的撞擊力；少數(shù)頭盔帶有太陽板，對(duì)安裝在它上面的電風(fēng)扇提供電能支持，起到一定的降溫作用；基于成本因素，智能化程度普遍較低，因此迫切需要設(shè)計(jì)一款智能化的頭盔裝置，集行車暫停提醒、左右轉(zhuǎn)向指示、夜間照明功能于一體，以便更好地滿足市場(chǎng)需求。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵芯片介紹

硬件系統(tǒng)由發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成，無論是發(fā)送系統(tǒng)還是接收系統(tǒng)，其關(guān)鍵芯片都是兩個(gè)，分別是STC89C52RC單片機(jī)和無線收發(fā)送模塊nRF24L01，其中STC89C52RC起核心控制作用，nRF24L01起無線信號(hào)的收發(fā)作用。

STC89C52RC單片機(jī)簡(jiǎn)介：STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的微控制器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，能夠?yàn)榍度胧娇刂茟?yīng)用系統(tǒng)提供靈活有效的解決方案[1]。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4 KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。

nRF24L01無線收發(fā)器芯片簡(jiǎn)介：nRF24L01由NORDIC公司生產(chǎn)，工作在2.4 GHz～2.5 GHz、ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。常應(yīng)用于無線門禁、安防系統(tǒng)、遙控裝置、遙感勘測(cè)等領(lǐng)域。芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0 dBm時(shí)，電流消耗為11.3 mA，接收模式時(shí)電流消耗為12.3 mA。內(nèi)設(shè)4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達(dá)8 Mbps，輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置，適合與各種MCU連接，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳送工作。

1.2 發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與自行車測(cè)速儀安裝方法類似，發(fā)送系統(tǒng)安裝在車把手位置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，發(fā)送系統(tǒng)由STC89C52RC單片機(jī)、無線發(fā)送模塊nRF24L01和3個(gè)按鍵組成。3個(gè)按鍵與單片機(jī)的P0口連接，它們分別是左轉(zhuǎn)向按鍵、右轉(zhuǎn)向按鍵和行車暫停按鍵。在某一時(shí)刻，單片機(jī)只能接收某一按鍵發(fā)出的信號(hào)(比如右轉(zhuǎn)向按鍵按下)，經(jīng)過單片機(jī)識(shí)別判斷，再通過無線發(fā)送模塊nRF24L01發(fā)送無線信號(hào)(內(nèi)含右轉(zhuǎn)向信息)到安裝在頭盔上面的接收系統(tǒng)。

圖1 發(fā)送系統(tǒng)框圖

發(fā)送模塊共設(shè)置K1、K2、K3 3個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)左轉(zhuǎn)向按鍵、右轉(zhuǎn)向按鍵和行車暫停按鍵，每個(gè)按鍵中都配置LED指示燈及限流電阻，如圖2所示，3個(gè)按鍵的其中一端與地相接，另一端分別連接單片機(jī)的P0.0、P0.1、P0.2口[2]。

圖2 發(fā)送端按鍵模塊與單片機(jī)的連接

本設(shè)計(jì)直接采用nRF24L01成品模塊實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的連接，從單片機(jī)控制的角度來看，除了電源和地的連接，我們只需關(guān)注nRF24L01集成模塊的6個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，它們分別是：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ，單片機(jī)與nRF24L01集成模塊的連接如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與nRF24L01集成模塊的連接

1.3 接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收系統(tǒng)(包括指示燈)安裝在頭盔的合適位置，其組成框圖如圖4所示，接收系統(tǒng)由STC89C52RC單片機(jī)、無線接收模塊nRF24L01和4個(gè)指示燈組成，其中夜間照明指示燈主要用于夜間行車照明，安裝在頭盔的正前方，采用手動(dòng)開關(guān)方式控制，另外3個(gè)指示燈分別是左轉(zhuǎn)向指示燈、右轉(zhuǎn)向指示燈和行車暫停指示燈，安裝在頭盔的正后方，并采用單片機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)無線接收模塊nRF24L01接收到來自發(fā)送端發(fā)送的無線信號(hào)(比如是右轉(zhuǎn)向信號(hào))，經(jīng)過單片機(jī)分析判斷，根據(jù)騎行人不同的需求，驅(qū)動(dòng)3個(gè)指示燈當(dāng)中的一個(gè)發(fā)光(比如點(diǎn)亮右轉(zhuǎn)向指示燈)。

圖4 接收系統(tǒng)框圖

對(duì)于接收系統(tǒng)，單片機(jī)通過P1端口實(shí)現(xiàn)與nRF24L01無線接收模塊的連接，其連接方式如前面圖3所示，與發(fā)送模塊的引腳連接方式相同。

接收系統(tǒng)里面的左轉(zhuǎn)向指示燈、右轉(zhuǎn)向指示燈和行車暫停指示燈，分別與單片機(jī)的P2.7口、P2.6口和P2.5口連接[3]，其連接電路如圖5所示，其中每個(gè)端口發(fā)光二極管的數(shù)目可根據(jù)亮度和指示箭頭形狀的需要做適當(dāng)調(diào)整。

圖5 單片機(jī)與轉(zhuǎn)向指示燈的連接

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分采用C51語言來編寫程序，以keil4軟件為開發(fā)平臺(tái)，通過編譯生成擴(kuò)展名為“.hex”的文件[4]，并通過STC-ISP下載到單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一是發(fā)送系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，二是接收系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

2.1 發(fā)送系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)送端程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)開機(jī)后，首先對(duì)STC89C52RC單片機(jī)和nRF24L01模塊初始化，把nRF24L01配置成PTX工作模式[5]，然后進(jìn)行按鍵掃描。掃描行車暫停按鍵是否被按下，如果是，則通過nRF24L01模塊發(fā)送行車暫停按鍵信號(hào)到接收端；如果否，則檢查左轉(zhuǎn)向按鍵是否被按下，如果是，則發(fā)送左轉(zhuǎn)向按鍵到發(fā)送端；如果否，則檢查右轉(zhuǎn)向按鍵是否被按下，如果是，則發(fā)送右轉(zhuǎn)向按鍵到發(fā)送端；如果否，則回頭繼續(xù)進(jìn)行按鍵掃描。

圖6 發(fā)送端程序流程圖

2.2 接收系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

接收系統(tǒng)開機(jī)后，首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，并把nRF24L01模塊配置成PRX工作模式，當(dāng)接收到發(fā)送端發(fā)來的數(shù)據(jù)后，nRF24L01產(chǎn)生接收中斷標(biāo)志，單片機(jī)從nRF24L01模塊讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，來決定點(diǎn)亮行車暫停指示燈、左轉(zhuǎn)向指示燈或右轉(zhuǎn)向指示燈當(dāng)中的一個(gè)，接收端程序流程圖如圖7所示。

圖7 接收端程序流程圖

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC單片機(jī)與nRF24L01無線收發(fā)器模塊組建發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)送系統(tǒng)通過按鍵模塊發(fā)送行車暫停信號(hào)或左右轉(zhuǎn)向信號(hào)，接收系統(tǒng)接收到信號(hào)后，通過頭盔上的LED指示燈顯示騎行者目前正在進(jìn)行行車暫停、左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車在轉(zhuǎn)向過程中給后方跟進(jìn)車輛一個(gè)明顯的提醒信號(hào)，避免后面車輛躲閃不及而引發(fā)追尾事故，從而起到保護(hù)騎行者安全的作用。