基于碟剎與STM 芯片的智能嬰兒車剎車系統(tǒng)研究

張鐵權(quán)

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

市場(chǎng)上主流的嬰兒車主要以手動(dòng)方式剎車。通過(guò)對(duì)嬰幼兒監(jiān)護(hù)人的調(diào)查，部分監(jiān)護(hù)人在離開嬰兒車5 m～10 m 時(shí)，沒(méi)有鎖嬰兒車的習(xí)慣。當(dāng)嬰兒車行駛在陡坡時(shí)，如果監(jiān)護(hù)人意外松手，嬰兒車會(huì)出現(xiàn)“溜車”情況。這些都會(huì)造成極大的安全隱患。針對(duì)這種問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種基于碟剎與STM 芯片的智能剎車系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)護(hù)人雙手是否在嬰兒車上，從而進(jìn)行智能剎車。為了提升嬰兒車的舒適度，剎車系統(tǒng)采用了碟剎裝置，降低了嬰兒車剎車時(shí)的頓挫感。智能嬰兒車剎車系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)手動(dòng)剎車的不足，最終達(dá)到“松手即停，推車即走”的效果，提高了嬰兒車的安全性及穩(wěn)定性。該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，技術(shù)可行，成本開銷小，并且符合人們的安全觀念及大人推車的行為習(xí)慣。這也將會(huì)成為未來(lái)智能嬰兒車發(fā)展的方向。

1 智能嬰兒車剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)部分主要分為兩類：外圍電路設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)。外圍電路設(shè)計(jì)主要包括STM 芯片GPIO 輸出、輸入的排線方式設(shè)計(jì)，STM 芯片控制繼電器電路設(shè)計(jì)，人體識(shí)別電路設(shè)計(jì)和電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)主要包括碟剎片與碟剎器的安裝與調(diào)試、電機(jī)的固定、制動(dòng)系統(tǒng)的安裝。

1.1.1 外圍電路設(shè)計(jì)

外圍電路由12 V 直流電源供電，分為5 個(gè)部分：人體識(shí)別模塊、輸入信號(hào)放大模塊、輸出信號(hào)放大模塊、芯片的供電與排版、電機(jī)電路以及終止信號(hào)的連接。

1）人體識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電路如圖1 所示，該電路主要采用串聯(lián)分壓進(jìn)行信號(hào)識(shí)別。人體電阻大約為1 M～2 M，與10 M 電阻串聯(lián)，通過(guò)5 V 電壓供電。當(dāng)人體不接觸手柄時(shí)，接入放大電路的電壓大約在4.3 V；當(dāng)人體接觸手柄時(shí)，通過(guò)串聯(lián)分壓與電路損耗，接入放大電路的電壓大約在0.5 V 左右。根據(jù)接入放大電路電壓的不同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體觸摸的識(shí)別。

圖1 人體識(shí)別電路模塊

2）輸入信號(hào)放大模塊

該模塊通過(guò)三極管對(duì)人體識(shí)別模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大，達(dá)到STM 芯片可以識(shí)別的電流，將該電流輸入到STM 芯片指定的GPIO 端口，最終達(dá)到人體信號(hào)識(shí)別的效果。

3）輸出信號(hào)放大模塊

輸出信號(hào)放大電路如圖2 所示，主要將STM芯片輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，增加驅(qū)動(dòng)能力，控制繼電器的工作狀態(tài)，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)剎車的鎖合。

圖2 輸出信號(hào)放大電路

4）芯片的供電與排版

該部分設(shè)計(jì)采用STM32F103 集成芯片，具有5 V 和3.3 V 兩種供電方式。設(shè)計(jì)方案由12 V 直流電源供電，通過(guò)“12VDC 轉(zhuǎn)5VDC”變壓器向STM芯片供電。將STM 芯片、人體識(shí)別模塊、輸入信號(hào)放大模塊和輸出信號(hào)放大模塊焊接在電路板上，繼電器、電動(dòng)機(jī)、接觸手柄通過(guò)PCB 接線端進(jìn)行連接。

5）電機(jī)電路以及終止信號(hào)的連接

該部分設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)連接碟剎系統(tǒng)，接入電機(jī)的電流方向控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。兩個(gè)繼電器的輸入與12 V 電源連接，輸出與直流電機(jī)相連，達(dá)到通過(guò)繼電器的通斷來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的效果。終止信號(hào)連接到碟剎系統(tǒng)中的電機(jī)電路，在剎車過(guò)程中，當(dāng)剎車鎖死時(shí)，電機(jī)電路向STM 芯片傳遞鎖車終止信號(hào)，使直流電機(jī)停止工作；在解鎖過(guò)程中，達(dá)到完全解鎖狀態(tài)時(shí)，電機(jī)電路向STM 芯片傳遞解鎖終止信號(hào)，使直流電機(jī)停止工作。

1.1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

智能嬰兒車的機(jī)械設(shè)計(jì)如圖3 所示，將碟剎片與車輪固定，碟剎器固定在車架上，與碟剎片共同構(gòu)成碟剎系統(tǒng)。直流電機(jī)固定在車架上，通過(guò)剎車線與碟剎器相連，控制剎車的閉合。

圖3 智能嬰兒車的機(jī)械設(shè)計(jì)

1.2 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件設(shè)計(jì)部分主要為人手識(shí)別模塊的軟件程序編寫，信號(hào)輸出模塊以及終止信號(hào)的軟件程序編寫。通過(guò)軟件程序可以達(dá)到人體接觸手柄、碟剎解鎖、無(wú)人體接觸和碟剎鎖車的效果。智能嬰兒車的程序流程如圖4所示。

圖4 智能嬰兒車程序

人手識(shí)別部分選用GPIOA^0 端口，設(shè)置為下拉電阻狀態(tài)。該模塊分為判斷人手是否識(shí)別，延時(shí)消抖，再次判斷人手是否識(shí)別3 個(gè)部分。通過(guò)if 語(yǔ)句判斷人手是否識(shí)別；利用delay 延時(shí)函數(shù)進(jìn)行延時(shí)消抖。通過(guò)該模塊，可以準(zhǔn)確識(shí)別輸入信號(hào)。

選用GPIOC^13、GPIOC^14 作為輸出端口，GPIOB^12、GPIOB^13 作為終止信號(hào)端口。首先通過(guò)if語(yǔ)句判斷是否存在輸入信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)存在時(shí)，再次使用if語(yǔ)句判斷是否存在終止信號(hào)1；當(dāng)輸入信號(hào)不存在時(shí)，再次使用if語(yǔ)句判斷是否存在終止信號(hào)2。當(dāng)終止信號(hào)1 存在時(shí)，令GPIOC^13、GPIOC^14 全部關(guān)閉；當(dāng)終止信號(hào)1 不存在時(shí)，令GPIOC^13、GPIOC^14 中控制解鎖的端口輸出高電平，另一端口輸出低電平。當(dāng)終止信號(hào)2 存在時(shí)，令GPIOC^13、GPIOC^14 全部關(guān)閉；當(dāng)終止信號(hào)2 不存在時(shí)，令GPIOC^13、GPIOC^14 中控制鎖車的端口輸出高電平，另一端口輸出低電平。最終達(dá)到“松手即停，推車即走”的效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)設(shè)計(jì)的智能嬰兒車剎車系統(tǒng)進(jìn)行人手識(shí)別測(cè)試，終止信號(hào)測(cè)試，速度、重量與剎車時(shí)間測(cè)試，速度、重量與剎車距離測(cè)試。

2.1 人手識(shí)別測(cè)試

在測(cè)試中，當(dāng)人體接觸手柄時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在1 s內(nèi)做出反應(yīng)，并且在長(zhǎng)達(dá)30 min 內(nèi)無(wú)操作的情況下，輸入信號(hào)沒(méi)有產(chǎn)生變化，人手識(shí)別部分測(cè)試符合最初設(shè)想。因此，該部分模塊能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出人手是否接觸手柄，并能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 人手識(shí)別測(cè)試結(jié)果 s

2.2 終止信號(hào)測(cè)試

在終止信號(hào)測(cè)試中，終止信號(hào)能夠及時(shí)傳入系統(tǒng)芯片中，使直流電機(jī)停止運(yùn)行，令碟剎處于設(shè)定好的剎車或解鎖狀態(tài)，終止信號(hào)測(cè)試符合最初設(shè)想。因此，該模塊能夠準(zhǔn)確地判斷碟剎系統(tǒng)是否鎖死，是否達(dá)到完全解鎖狀態(tài)。當(dāng)鎖死或者完全解鎖時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)停止信號(hào)的輸出，使剎車強(qiáng)度固定在兩個(gè)極限值。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 終止信號(hào)測(cè)試結(jié)果 s

2.3 速度、重量與剎車時(shí)間測(cè)試

這組實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)試出實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)從剎車開始到結(jié)束的具體剎車時(shí)間。在測(cè)試中，分別取兩組數(shù)據(jù)20 kg、5 km/h～32 km/h 和10 kg～30 kg、15 km/h 對(duì)嬰兒車進(jìn)行測(cè)試，得到兩組測(cè)試結(jié)果，如表3 和表4 所示。速度、重量與剎車時(shí)間測(cè)試符合最初設(shè)想。

表3 速度、重量與剎車時(shí)間測(cè)試結(jié)果1

表4 速度、重量與剎車時(shí)間測(cè)試結(jié)果2

2.4 速度、重量與剎車距離測(cè)試

這組實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試在實(shí)際應(yīng)用中該系統(tǒng)從開始剎車到剎車結(jié)束的剎車距離。在測(cè)試中，取上一節(jié)中的數(shù)據(jù)對(duì)嬰兒車進(jìn)行測(cè)試，得到兩組測(cè)試結(jié)果，如表5和表6所示。速度、重量與剎車距離測(cè)試符合最初設(shè)想。

表5 速度、重量與剎車距離測(cè)試結(jié)果1

表6 速度、重量與剎車距離測(cè)試結(jié)果2

以上測(cè)試結(jié)果充分說(shuō)明，本文設(shè)計(jì)的智能剎車嬰兒車相比于普通嬰兒車具有較高的安全性及舒適性。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)嬰兒車安全性問(wèn)題，本文從電路設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)3 個(gè)方面研究了基于碟剎與STM 芯片的智能嬰兒車剎車系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文研究的智能剎車系統(tǒng)能夠使嬰兒車在安全性和穩(wěn)定性方面得到保障。

本文的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，技術(shù)可行，成本開銷小，非常符合人們的安全觀念。從監(jiān)護(hù)人推車的行為習(xí)慣入手，最終達(dá)到“松手即停，推車即走”的智能效果。同時(shí)，該設(shè)計(jì)可移植性強(qiáng)，能夠推廣至各類嬰兒車。因此，本文設(shè)計(jì)的智能剎車系統(tǒng)極具推廣價(jià)值，將會(huì)得到非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也為未來(lái)的智能嬰兒車發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。