一種新型的低功耗雙路移動感應警示電路

沈建明，張柯坤，金夢瑤

（嘉興職業(yè)技術學院，浙江嘉興，314036）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車越來越普及，在小區(qū)轉(zhuǎn)彎處和十字路口盲區(qū)發(fā)生交通事故的概率越來越大。目前在“L”或“T”形交通路口或小區(qū)盲區(qū)樹立一面凸面鏡（也叫廣角鏡），以瞭望對面的行人和車輛運行情況，以便及時做出反應，減少交通事故的發(fā)生[1]。

但是凸面鏡能夠看到的角度始終有限，有些連續(xù)轉(zhuǎn)彎路口當看到對面的車或人的時候已經(jīng)來不及做出反應，因此本文提出了一種新型的低功耗雙路移動感應警示燈。主要應用在小區(qū)轉(zhuǎn)彎處和地下車庫盲區(qū)，或者十字路口死角等地方，為了防止盲區(qū)兩邊車輛由于看不到對方而碰撞的情況。

這款警示燈產(chǎn)品在國內(nèi)基本沒有應用，而且相比凸面鏡來說成本較低，因此擁有比較好的市場前景。

1 設計內(nèi)容

本項目采用雙路紅外傳感器檢測盲區(qū)兩側(cè)的移動物體（人或車），當只有一側(cè)傳感器探測到移動物體或者兩側(cè)傳感器均沒有探測到移動物體進入時，警示LED燈不亮；只有當兩側(cè)紅外傳感器在各自方向都檢測到移動物體時，兩側(cè)LED警示燈每秒閃爍兩次，并驅(qū)動一路喇叭聲音報警；直到其中一個方向的移動物體信號消失后延時3秒，兩側(cè)LED警示燈熄滅，喇叭關閉。探測示意圖如圖1所示。

圖1 示意圖

紅外運動探測器安裝在2.5~3米的高度，兩邊的檢測距離達到13米以上，考慮到一側(cè)移動物體有可能被遮擋，兩側(cè)傳感器電路均設計了可重復觸發(fā)模式并延時3秒（即檢測到移動信號，輸出由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒀訒r3秒；3秒內(nèi)繼續(xù)檢測到移動信號，輸出高電平再延時3秒；3秒內(nèi)沒有檢測到移動信號，輸出低電平，繼續(xù)等待信號）。

警示燈電路主要有主控模塊、電源模塊、傳感器模塊和燈板模塊四個部分組成，總體設計框圖如圖2所示。

圖2 總體設計框圖

2 理論分析

2.1 移動目標運動學分析

設盲區(qū)路口的兩條道路分別為A1、A2，每條道路上各有一輛車分別以速度為v1、v2駛向路口，假設警示燈上兩個紅外移動探測器的探測距離分別為L1、L2，如圖3所示。

圖3 路口車輛運動分析

則從探測器探知目標，到目標車輛駛?cè)肼房诘臅r間為：

2.2 移動目標不相遇的條件

如果警示燈兩側(cè)的紅外探測器型號相同，探測距離L1=L2，而移動目標的移動速度不同，則兩個目標在路口相遇，如表1所示，將會有以下幾種情況：

表1 移動目標路口相遇的幾種情況

從上述分析可以看出，在相同的預警距離下，當兩個移動目標的速度相差不大或者相等時，移動目標在路口相撞發(fā)生交通事故的概率最大。

假設警示燈的探測器發(fā)現(xiàn)目標后立即發(fā)出預警，車輛駕駛?cè)嘶蛘咝腥肆⒓床扇〈胧┻M行減速或者制動，則移動目標不發(fā)生相撞的條件為：

式中，L為預警距離，t為預警時間，v為移動目標速度。

式（3）即為對于不同的車速和預警時間，需要紅外探測器提供的預警距離。

2.3 預警距離需求

依據(jù)前文分析，對于不同的車速和不同的預警時間，預警距離要求是不一樣的。表2所示為不同車速和預警時間下，對于預警距離要求。

表2 不同車速和預警時間下預警距離需求

從表2可以看出，預警時間越早，所需要的預警距離越大，車速越快，所需要的預警距離越大。

《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》第四十五條和四十六條，對不同情況下的機動車最高行駛速度有明確的規(guī)定。沒有道路中心線的道路，城市道路為每小時30公里，公路為每小時40公里；同方向只有1條機動車道的道路，城市道路為每小時50公里，公路為每小時70公里；通過鐵路道口、急彎路、窄路、窄橋時最高行駛速度不得超過每小時30公里?？梢钥闯?，在城市T字形、L形路口，一般要求車速不會超過每小時50公里，鄉(xiāng)村公路一般要求車速不會超過每小時40公里，轉(zhuǎn)彎路口多、視野不好的山間道路，一般不會超過每小時30公里。不同路況下限速要求和預警距離，如表3所示。

從表3可知，對在山區(qū)道路上行駛的車輛，提前1秒預警，所需要的預警距離為8.3米；在鄉(xiāng)村公路上行駛的車輛，提前1秒預警，所需要的預警距離為11.1米；在城市T、L形單車道行駛的車輛，提前1秒預警，所需要的預警距離為13.9米。如果需要提前2秒以上預警，所需要的預警距離會成比例增加。

表3 不同路況下預警距離需求

3 核心技術

3.1 低功耗設計

警示燈電路通過元件選型、電路設計、軟件設計實現(xiàn)超低功耗。

主控芯片選用TI生產(chǎn)的超低功耗芯片MSP430F4250[2,3]，此款單片機具有休眠模式，具有超低功耗的特點，工作電壓為1.8～3.6V，1MHz下工作電流僅為250μA；晶振采用32.768kHz手表晶振，PCB采用低功耗設計。

電源模塊選用低功耗寬電壓線性穩(wěn)壓器HT7533，HT7533是一組CMOS技術實現(xiàn)的低功耗高電壓穩(wěn)壓器CMOS技術可確保其具有低壓降和低靜態(tài)電流的特性，用到的外圍器件也很少。

軟件設計采用低功耗模式3（休眠模式）下工作，正常情況下工作電流在微安級，當檢測到兩路信號后喚醒工作，電流達到毫安級，信號消失后繼續(xù)休眠。

3.2 傳感器模塊設計

傳感器模塊選用被動紅外探測控制芯片NCS36000和被動紅外檢測傳感器PIR[4]的組合，NCS36000芯片是一款低功耗的混合信號處理芯片，通過調(diào)整NCS3600芯片外圍的電阻電容參數(shù)實現(xiàn)檢測信號的低噪聲兩級放大，檢測距離可以增大一倍左右，如圖4所示。

圖4 兩級放大設計框圖

此模塊有單脈沖檢測模式和雙脈沖檢測模式以供選擇，如圖5所示，單脈沖檢測模式即當檢測到單個脈沖（時間寬度大于48ms）就認為有移動信號；雙脈沖檢測模式是當檢測到第一個脈沖（時間寬度大于48ms）后，5秒內(nèi)檢測到第二個脈沖（時間寬度大于48ms），才判斷有移動信號，如果5秒內(nèi)沒有檢測到第二個脈沖，則重新檢測，這樣更加準確的判定移動信號，防止誤動作。

圖5 信號模式選擇方式

傳感器模塊設計電路框圖如圖6所示。PIR探頭采用的是全新原裝進口RE200B-P人體紅外熱釋電傳感器，能吸收大部分物體表面的紅外線輻射，同時輸出一個紅外線能量與溫度成比例關系的電壓信號[5]。系統(tǒng)應用的熱釋電紅外傳感器PIR靈敏度高，反應迅速，抗干擾性能強，且該傳感器本身不產(chǎn)生有害輻射，安全可靠，相比一般的高頻多普勒[6]移動感應傳感器，功耗更低，價格更加低廉[7]。

圖6 傳感器模塊框圖

本作品采用一種菲尼爾透鏡安裝在熱釋電傳感器PIR的窗口上，實現(xiàn)檢測距離的增大，菲涅爾鏡片是紅外線探頭的“眼鏡”,它就像人的眼鏡一樣,配用得當與否直接影響到使用的功效。配用得當能充分發(fā)揮人體感應的作用,使其應用領域不斷擴大。它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10~20米范圍內(nèi)人的行動[8]。

菲涅爾透鏡的原理基于菲涅爾波帶片，菲涅爾波帶片具有類似透鏡的作用，它可以使入射光匯聚起來，產(chǎn)生極大的光強,其成像公式如下：

式中，ρ為光源到波帶的距離，r0為透鏡中心到像點的距離,R為透鏡半徑，m為波帶數(shù)，λ為入射光波長。

波帶片與透鏡有個重要的區(qū)別，即一個波帶片有很多焦點，上式給出的是它的主焦點，除此之外，還有一系列的次焦點，它們的距離分別為f/3、f/5、f/7...，在其對稱位置還有一系列虛焦點。

菲涅爾透鏡從外觀分類為長形,方形,圓形;從功能分類為單區(qū)多段,雙區(qū)多段,多區(qū)多段，如圖7所示。

圖7 菲尼爾透鏡分類

國內(nèi)有關學者的研究數(shù)據(jù)表明[9],單區(qū)多段ML002透鏡探測距離為10m,雙區(qū)多段型8709SM透鏡探測距離為15m,多區(qū)多段型的7706和8204探測距離分別為25m和40m[10]，因此本作品采用多區(qū)多段型8204透鏡安裝到PIR傳感器上，探測距離足夠遠，也能有足夠的預警時間。

圖8 (a)為安裝菲涅爾透鏡前的檢測模塊電路板，圖8(b)為安裝了菲涅爾透鏡后的檢測模塊電路板。

圖8 安裝菲涅爾透鏡前后的檢測模塊

3.3 中斷喚醒程序設計

軟件設計采用IAR Embedded Workbench IDE進行編程，當只有一側(cè)傳感器探測到移動物體或者兩側(cè)傳感器均沒有探測到移動物體時，警示LED燈不亮；只有當兩側(cè)紅外傳感器在各自方向都檢測到移動物體時，兩側(cè)LED警示燈每秒閃爍兩次，并驅(qū)動一路喇叭聲音報警；直到其中一個方向的移動物體信號消失后延時3秒，兩側(cè)LED警示燈熄滅，喇叭關閉。主程序是雙路移動檢測中斷響應程序，考慮到一側(cè)移動物體有可能被遮擋，兩側(cè)傳感器硬件電路均設計了可重復觸發(fā)模式并延時3秒，因此軟件設計程序也要延時3秒；因此主要軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 軟件設計流程圖

另外在使用過程中電池電量耗盡就無法檢測，因此設計了低電量檢測報警電路，通過單片機檢測電池電量，當電池電量快要耗盡時，改變LED燈閃燈模式為交替閃燈以示報警，但不影響正常工作。低電量模式下還能使用3-4周時間，但要及時更換電池。

4 實驗測試

為取得本產(chǎn)品的主要技術指標和有關數(shù)據(jù)，需要進行多次多項實驗測試，實驗內(nèi)容主要包括測試產(chǎn)品的功耗，測量傳感器檢測距離，判斷預警的有效性等。

4.1 功耗測試

警示燈電路處于工作狀態(tài)時，測量其電路工作電流約為5.3mA，圖10所示為電流測量過程。以電路連續(xù)工作1年計算電量：

圖10 電路工作電流測試

1年電量值=5.3mA×24H×365d=46428mAH

1節(jié)金霸王1號D型堿性電池的電量為14000mAH，6節(jié)電池的電量為84000mAH，因此理論情況下電路連續(xù)工作可持續(xù)工作時間=84000÷46428=1.81年，可以看出，理論上電路連續(xù)工作將近2年，實際由于電池電量損耗等因素，可連續(xù)工作1年左右。

4.2 預警距離測試

預警距離是本產(chǎn)品最重要的一個指標，獲得準確可靠的預警距離，對于產(chǎn)品的應用與推廣有非常重要作用。在測試實驗中，模擬兩組場景，一組場景是兩條道路上的移動目標分別是小轎車和電動車，另一組場景是兩條道路上的移動目標均是小轎車。實驗過程如圖11和12所示。實驗數(shù)據(jù)表明,警示燈的預警感應范圍為15M×3M，感應有效角度范圍為63°，有效角度30°時檢測距離最大達到14.8米，具體對應關系如圖13所示。

圖11 預警距離測試

圖12 預警距離測量

圖13 有效角度與預警距離關系圖

經(jīng)過測試分析得出以下兩點結(jié)論：

(1)探測器安裝高度在2.5~3米的時候探測距離最大，且對探測范圍內(nèi)地面上地小動物不產(chǎn)生報警，說明感應距離與安裝的高度有關。

(2)路口是否會相撞分為三種情況：

①兩側(cè)都是人在移動顯然不會發(fā)生交通事故；

②一側(cè)是汽車，一側(cè)是人，由于人的移動速度慢，看到警示后能夠及時避讓，汽車司機也會及時減速因此一般也不會發(fā)生交通事故；

③兩側(cè)都是汽車或者電瓶車時，就需要分析移動目標速度，在30km/h（8.3m/s）以下時，預警時間在1.8秒左右，移動目標速度在40km/h（11m/s）時，預警時間為1.35秒，一般能及時將車速降下來，避免事故。

移動目標速度在50km/h（13.8m/s）時，預警時間為1秒，反應靈敏的司機可采取緊急制動及時減速，如果在盲區(qū)路口車速超過50km/h就相當危險了，發(fā)生事故的概率將非常大。

4.3 雙路感應測試

當盲區(qū)路口兩個方向同時有移動物體（人或車）時，可通過每秒閃燈2次對人或車進行警示，并驅(qū)動喇叭發(fā)出聲音。當一側(cè)移動物體信號消失后，立刻停止閃燈警示。

4.4 復雜路況測試

當出現(xiàn)盲區(qū)路口有多輛車或多人經(jīng)過的復雜路況時，即兩路傳感器在5秒內(nèi)接受到3個以上的信號，警示燈采取快閃（每秒4次）的方式告知兩邊路口都要減速慢行，注意避讓。

5 主要技術指標

(1)供電電壓：DC 9V（6節(jié)1號D型堿性電池串聯(lián)）。

(2)工作電壓：DC 3.3V。

(3)電路板尺寸：主控板<9cm×3cm，傳感器<3cm×2cm，燈板<7cm×2cm。

(4)感應范圍：(L × H)15m ×3m。

(5)探測角度范圍：63° (墻面或柱子安裝) ，如圖13所示。

(6)單塊燈板功率：<0.02w。

(7)工作靜態(tài)電流：20μA。

(8)工作動態(tài)電流：5.3mA。

(9)工作溫度：-20℃-70℃。

(10)燈閃頻率：每秒2次，快慢可由程序控制。

(11)作品成本：<15元。

6 技術創(chuàng)新與優(yōu)勢

6.1 技術創(chuàng)新

(1)低功耗設計：電源模塊和控制部分都能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗設計，用6節(jié)1號D型堿性電池供電的話連續(xù)工作可以用上1年左右，正常情況不工作處于休眠狀態(tài)。

(2)檢測距離遠：主要考慮到汽車速度比較快，因此傳感器模塊采用低噪聲兩級放大混合信號處理芯片控制，在配合多區(qū)多段菲尼爾透鏡，檢測距離要達到13米以上穩(wěn)定可靠。

(3)低電量檢測：當電池快耗盡時，通過單片機檢測電壓實現(xiàn)程序控制改變閃燈模式告知，以便及時更換電池。

(4)低成本設計：傳感器模塊和控制模塊都采用同一電源模塊3.3V供電，減少電路器件和PCB面積，減少成本。

6.2 技術優(yōu)勢

(1)安裝簡便。無需外接電源，無需鋪設線路。

(2)綠色環(huán)保。不含有害物質(zhì)，不排放污染物。

(3)警示效果好。LED采用臺灣晶元芯片，亮度高，警示效果好，光衰減慢。

(4)性能穩(wěn)定。采用MSP430超低功耗單片機控制，保護電路齊全，功能穩(wěn)定可靠。

(5)使用壽命長。LED使用壽命≥100000小時，電路板使用壽命15年。

(6)堅固耐用。鋁型材外殼和PC外殼相結(jié)合，抗沖擊，抗老化，耐腐蝕，鋁外框固定，裝置防水防塵達到IP56。

7 后期改進

由于低功耗雙路移動感應燈是采用電池供電的，等電池耗盡前需要更換電池，因此后期我們增加太陽能充電的方式以減少更換電池，讓電路工作的更持久。