和 赟，楊 瑞，李庚淵，張瀚文，嚴(yán)一民

(1.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054；2.成都市第七中學(xué)，成都 610041 )

行人車輛安全距離便攜式提示器的設(shè)計(jì)

和 赟1，楊 瑞1，李庚淵1，張瀚文2，嚴(yán)一民1

(1.電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054；2.成都市第七中學(xué)，成都 610041 )

現(xiàn)今老年人過(guò)馬路時(shí)事故頻發(fā)，設(shè)計(jì)一種能夠在老年人過(guò)馬路時(shí)提示潛在危險(xiǎn)并及時(shí)排除危險(xiǎn)的儀器已經(jīng)十分必要了。該文以51單片機(jī)和KS103超生波測(cè)距模塊為核心，以數(shù)碼管、蜂鳴器、外設(shè)鍵盤(pán)、DS18B20外界溫度測(cè)量模塊為輔助電路，設(shè)計(jì)了一款當(dāng)行人過(guò)馬路時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的控制和超聲波測(cè)距的產(chǎn)品。該產(chǎn)品能夠自動(dòng)計(jì)算出遠(yuǎn)方車輛的行駛速度以及車輛保持勻速行駛到行人正前方的時(shí)間。如果系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的天氣情況判斷發(fā)現(xiàn)行人通過(guò)馬路存在危險(xiǎn)，則通過(guò)蜂鳴器報(bào)警提示行人存在危險(xiǎn)，從而及時(shí)避免事故的發(fā)生。

單片機(jī)；安全時(shí)間；超聲波；報(bào)警

老年人步行速度慢、反應(yīng)慢、視力聽(tīng)力不好。他們過(guò)馬路時(shí)的安全問(wèn)題一直令人擔(dān)憂，尤其是在大霧、雨雪等天氣不好的時(shí)候以及在穿過(guò)沒(méi)有紅綠燈的街道時(shí)，安全問(wèn)題就顯得更為突出。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)和超聲波模塊KS103，通過(guò)兩次測(cè)距得到遠(yuǎn)方車輛行駛的速度以及車輛保持勻速行駛到行人正前方所需要的時(shí)間，并將該時(shí)間和行人安全通過(guò)馬路所需要的時(shí)間條件相比較，如果存在危險(xiǎn)則報(bào)警，從而有效地保障行人的安全。KS103超聲波模塊測(cè)距范圍可以達(dá)到10 m，精度高，每秒最多可以探測(cè)500次，可以滿足實(shí)際的需求，在本設(shè)計(jì)中超聲波模塊返回的數(shù)據(jù)是測(cè)距所花費(fèi)的時(shí)間而不是距離。本設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際的路況、天氣等，自己設(shè)定所需的安全工作模式，儀器中的DS18B20模塊用來(lái)測(cè)定外界環(huán)境溫度從而通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的聲速，提高了設(shè)備的可靠性，具有很好的靈活性應(yīng)用性。如果某時(shí)刻測(cè)得的車輛到達(dá)行人處的時(shí)間不滿足行人安全通過(guò)馬路所需要的時(shí)間條件，則啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，及時(shí)提醒行人繼續(xù)過(guò)馬路則存在危險(xiǎn)。從而避免事故的發(fā)生，保障行人的安全。

1 車輛到達(dá)時(shí)間的獲得

1.1 外界溫度的獲得

超聲波在空氣中的傳播速度受到溫度的影響，為了提高設(shè)備的精確度，必須測(cè)量外界環(huán)境的溫度。DBS1820溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-55 ℃～125 ℃，足夠滿足日常使用[1]。傳感器電路圖如圖1所示。

在單片機(jī)讀取安全時(shí)間后，開(kāi)始測(cè)距之前，單片機(jī)將通過(guò)P 3.7口向DS18B20發(fā)送與測(cè)量溫度有關(guān)的指令，一段時(shí)間后單片機(jī)通過(guò)P 3.7口接收到關(guān)于溫度的16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)據(jù)[1]。

圖1 溫度傳感器電路

1.2 KS103超聲測(cè)距模塊

本設(shè)計(jì)采用的KS103超聲波模塊，其工作模式為T(mén)TL串口模式，波特率9 600 kHz，1位啟動(dòng)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。模塊上電后，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始自檢測(cè)，自檢正常后，如果收到主機(jī)的有效數(shù)據(jù)指令，則進(jìn)入探測(cè)模式。本設(shè)計(jì)采用的探測(cè)指令為0xba，最大探測(cè)距離為11 m，返回?cái)?shù)據(jù)為測(cè)距時(shí)間t，單位為μs。

1.3 通過(guò)單片機(jī)計(jì)算車輛速度

測(cè)距開(kāi)始前，單片機(jī)控制儀器通過(guò)DS18B20模塊獲得外界的溫度T，并根據(jù)空氣中聲波速度與溫度的關(guān)系v=v0+0.607T，由單片機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng)溫度下聲波的傳播速度v。通過(guò)單片機(jī)控制一個(gè)測(cè)距周期為71.493 ms[2]，測(cè)速原理如圖2所示。

圖2 超聲波測(cè)速原理圖

假設(shè)車輛是勻速行駛的，本系統(tǒng)由超聲波模塊A和模塊B組成，A、B之間的距離為L(zhǎng)。在單片機(jī)的控制下開(kāi)始測(cè)距時(shí)，模塊A和B同時(shí)發(fā)出不同的聲波(避免互相之間接收聲波引起干擾)。根據(jù)聲波的特點(diǎn)，模塊A、B發(fā)出的聲波將先后到達(dá)車頭并被反射回來(lái)。因?yàn)槁暡ǖ乃俣冗h(yuǎn)大于車的速度，可以近似認(rèn)為ta=tb，所以在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)可以假定車的位置沒(méi)有改變。在第一個(gè)測(cè)距周期內(nèi)，模塊A、B發(fā)出的聲波在空氣中的傳播時(shí)間分別為ta和tb，由圖2可得s1=vsta/2,s2=vstb/2，其中vs為聲速。由以上數(shù)據(jù)和余弦定理可得：

所以可求得sinθ1，此時(shí)車輛距離人行走方向的垂直距離s=s2sinθ1，模塊A距離車輛行駛方向的垂直距離d=s2cosθ1-L。同理，在下一個(gè)相鄰的測(cè)距周期內(nèi)可測(cè)得車輛距離人行走方向的垂直距離s′，模塊A發(fā)出的聲波在空氣傳播的時(shí)間ta′，模塊A距離車輛行駛方向的垂直距離d′，所以Δs=s-s′。對(duì)車來(lái)說(shuō)Δt=T+ta′/2-ta/2;T為測(cè)距周期，v=Δs/Δt。

1.4 行人安全通過(guò)馬路的兩個(gè)時(shí)間條件

只有當(dāng)兩次測(cè)距結(jié)束后，才能判斷行人是否能安全通過(guò)馬路。因?yàn)闇y(cè)距周期的存在，單片機(jī)在得到返回?cái)?shù)據(jù)后不會(huì)馬上運(yùn)行下一個(gè)程序，而是等待計(jì)數(shù)器計(jì)滿一個(gè)周期后再運(yùn)行下一個(gè)與計(jì)算到達(dá)時(shí)間相關(guān)的程序[3]。車輛到達(dá)行人正前方需要的時(shí)間t=s′/v。對(duì)行人來(lái)說(shuō)假設(shè)車寬度為m(這里主要針對(duì)大型客車)，行人的步行速度v1，所以行人能安全通過(guò)馬路的條件為t

2 安全模式的預(yù)先設(shè)定

2.1 獨(dú)立式鍵盤(pán)的原理

獨(dú)立式鍵盤(pán)是最簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)，其直接用I/O口線構(gòu)成單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立按鍵占用一根I/O線，各I/O線的工作狀態(tài)不受其他連線的影響[4]。為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且使用方便，本設(shè)計(jì)共采用兩個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)的安全模式，從而提高設(shè)備的靈活性。獨(dú)立鍵盤(pán)與單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖3 獨(dú)立鍵盤(pán)與單片機(jī)的連接電路圖

2.2 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定安全模式

所謂安全模式就是行人在一定的路況和天氣條件下過(guò)馬路時(shí)，儀器保障行人正常通過(guò)馬路所需的工作模式。本設(shè)計(jì)通過(guò)預(yù)設(shè)行人的步行速度來(lái)保障行人安全。行人可根據(jù)實(shí)際的天氣條件來(lái)設(shè)定不同的安全模式。一共有4個(gè)安全模式，正常、雨天、雪天、大雪，越往后行人的步行速度越低。各個(gè)按鍵相互獨(dú)立且分別與單個(gè)I/O口相連接。在外加高電平的作用下，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)引腳為高電平，閉合開(kāi)關(guān)后，對(duì)應(yīng)引腳變?yōu)榈碗娖絒4]。

儀器開(kāi)始工作后，將首先檢查鍵盤(pán)模塊的接通狀態(tài)，且只檢查一次。A、B按鍵依次和單片機(jī)的P2.6～P2.7口相連接，在儀器上電后單片機(jī)通過(guò)掃描2個(gè)獨(dú)立鍵盤(pán)得到一個(gè)2位二進(jìn)制數(shù)，A、B按鍵的狀態(tài)依次對(duì)應(yīng)該二進(jìn)制數(shù)的高低位。當(dāng)某個(gè)按鍵接通時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳為低電平，相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)位為1，否則為0[3]。不同的安全模式對(duì)應(yīng)不同的二位二進(jìn)制數(shù)，二進(jìn)制數(shù)用來(lái)預(yù)設(shè)行人的步行速度。行人在儀器上電前應(yīng)根據(jù)實(shí)際的天氣情況設(shè)定對(duì)應(yīng)的安全模式。儀器上電后，單片機(jī)通過(guò)掃描對(duì)應(yīng)I/O口的狀態(tài)得到一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。在程序控制下，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)二進(jìn)制數(shù)計(jì)算出在該天氣條件下行人的步行速度v1(由程序完成)。從而為判斷行人是否能安全通過(guò)馬路提供可靠的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)碼管與報(bào)警模塊

3.1 數(shù)碼管模塊

設(shè)計(jì)采用4位7段共陽(yáng)數(shù)碼管作為顯示電路。P0為段選控制端，P2.0～P2.3為位選控制端。當(dāng)相應(yīng)位選端口輸出為高電平時(shí)，三極管9012截止，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管熄滅；控制端口為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的公共端為高電平，這個(gè)數(shù)碼管的段選端對(duì)應(yīng)加低電平就可以點(diǎn)亮字段了[4]。無(wú)危險(xiǎn)時(shí)，數(shù)碼管顯示車輛通過(guò)行人正前方的時(shí)間。存在危險(xiǎn)時(shí)，在單片機(jī)的控制下將熄滅數(shù)碼管。

3.2 蜂鳴器報(bào)警模塊

當(dāng)單片機(jī)某時(shí)刻通過(guò)計(jì)算出車輛到達(dá)的時(shí)間不滿足上述兩個(gè)條件時(shí)，單片機(jī)在P3.6引腳周期性輸出一段變頻信號(hào)，蜂鳴器隨之報(bào)警，且數(shù)碼管關(guān)閉，停止顯示時(shí)間。通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，單片機(jī)引腳P3.6控制蜂鳴器的報(bào)警[6]，如圖4所示。

圖4 蜂鳴器報(bào)警電路圖

4 軟件部分的設(shè)計(jì)

采用定時(shí)器T1控制串行口的波特率，允許串行口接收數(shù)據(jù)和串行口中斷[5]；定時(shí)器T0用于數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，定時(shí)器T2用于測(cè)距周期的時(shí)間延遲以及蜂鳴器報(bào)警時(shí)信號(hào)頻率的控制[2]。儀器上電后先執(zhí)行相關(guān)程序，以掃描獨(dú)立鍵盤(pán)獲得對(duì)應(yīng)的安全模式，并得出行人實(shí)際的步行速度。單片機(jī)向DS18B20發(fā)送測(cè)量溫度的命令。獲得外界環(huán)境溫度后，通過(guò)Vs=V0+0.607t計(jì)算出對(duì)應(yīng)溫度下的聲速；然后不斷循環(huán)測(cè)距，每?jī)蓚€(gè)相鄰的測(cè)距周期內(nèi)得到車輛到達(dá)行人正前方的時(shí)間。在每個(gè)測(cè)距周期開(kāi)始時(shí)，通過(guò)軟件控制，單片機(jī)同時(shí)給兩個(gè)超聲波模塊發(fā)送一個(gè)有效的測(cè)距命令。兩次相鄰的測(cè)距周期結(jié)束后，單片機(jī)將計(jì)算出車輛到達(dá)行人正前方的時(shí)間，并判斷該時(shí)間是否滿足以上兩個(gè)條件。若不滿足則熄滅數(shù)碼管啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；無(wú)危險(xiǎn)則控制數(shù)碼管顯示車輛到達(dá)的時(shí)間，蜂鳴器不報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了行人車輛安全距離提示器的工作原理以及工作方式。儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，設(shè)置方便靈活。在單片的控制和計(jì)算下，通過(guò)兩次超聲波測(cè)距得出車輛到達(dá)行人處的時(shí)間并及時(shí)判斷該時(shí)間是否滿足安全條件，從而能夠及時(shí)提示行人即將到來(lái)的危險(xiǎn)，對(duì)車輛勻速行駛的假設(shè)以及安全模式的可調(diào)節(jié)性提高了儀器的可靠性、實(shí)用性和靈活性，彌補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的空白。能夠很好的保障行人過(guò)馬路時(shí)的安全。

[1]朱清慧，張鳳蕊，王志奎. Proteus教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[2]張友德，涂時(shí)亮，趙志英. 單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M]. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2010.

[3]周堅(jiān). 單片機(jī)C語(yǔ)言輕松入門(mén)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4]鄭峰，王巧芝，陳繪兵，等. 51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開(kāi)發(fā)大全[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[5]肖金秋，馮翼. 增強(qiáng)型51單片機(jī)與仿真技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6]張義和，王敏男.例說(shuō)51單片機(jī)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

Design of Portable Indicator Used to Ensure Pedestrians’ Safety

HE Yun1, YANG Rui1, LI Gengyuan1, ZHANG Hanwen2, YAN Yimin1

(1. School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China;2. Chengdu NO.7 High School, Chengdu 610041, China )

Today, as accident often happens when the elderly cross the road, designing a device which can prompt and exclude the potential risk around them when they are crossing the road is very necessary. This system selects 51 single chip microcomputer and the ultrasonic module of KS103 as the core. The external circuit is designed basing on digital tube, independent keyboard, buzzer and the temperature sensor of DS18B20 which was used to detect the temperature of external environment. When people are crossing the road, this product can calculate the distance and the speed of the vehicle automatically through the MCU and the ultrasonic module of KS103. Then it will calculate the time before the vehicle which keeps that speed comes here and display it by the digital tube. If it can’t meet the conditions that used to ensure pedestrians’ safety, the buzzer will alarm. So the accident can be avoided timely.

MCU; safety time; ultrasonic; alarm

2015-04-02；修改日期:2015-04-14

和 赟(1993-)，男，本科在讀，專業(yè)方向：真空電子技術(shù)。

嚴(yán)一民(1960-)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事聲學(xué)技術(shù)與電子信息方面的研究。

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.081