童向亞 朱 舟 鄭書河（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 福建福州 350002）

基于STC89C52單片機(jī)的公交車乘客下車安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童向亞 朱 舟 鄭書河
（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 福建福州 350002）

針對(duì)公交車停靠站牌時(shí)，時(shí)常與人行道臺(tái)階之間保留大于600mm的間隙，乘客下車后存在被間隙內(nèi)快速行駛的電動(dòng)車輛撞倒的安全隱患問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的公交車乘客下車安全檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波傳播速度為確定條件，利用時(shí)差法測(cè)量間隙內(nèi)電動(dòng)車輛的速度以及相對(duì)下車乘客的距離，并對(duì)具有危險(xiǎn)的電動(dòng)車輛進(jìn)行識(shí)別和車內(nèi)外報(bào)警。在Proteus軟件環(huán)境下進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)的模擬仿真，并進(jìn)一步制作和調(diào)試運(yùn)行系統(tǒng)樣機(jī)，驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。

公交車；乘客；電動(dòng)車輛；單片機(jī)

每年交通事故引發(fā)原因和事故類型統(tǒng)計(jì)表明，公交車在?？抗徽九聘浇鼤r(shí)，與電動(dòng)車輛之間的交通事故發(fā)生頻率較高。事故產(chǎn)生的原因多集中在乘客上下車時(shí)，尤其集中在每天的上下班高峰期，由于電動(dòng)車輛并未察覺(jué)到突然下車的乘客，且乘客未觀察到公交車內(nèi)側(cè)高速行駛過(guò)來(lái)的電動(dòng)車輛，造成了下車乘客與電動(dòng)車輛的沖撞，加劇了上下班高峰期的交通擁擠，為此發(fā)生很多不該發(fā)生的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損

失［1-3］。

為了改變現(xiàn)有公交車乘客下車安全現(xiàn)狀，減少下車乘客與電動(dòng)車輛的沖撞事故發(fā)生，提高公交車整體安全性能，彌補(bǔ)目前針對(duì)公交車乘客下車安全的檢測(cè)裝置的不足，以及其他類似檢測(cè)報(bào)警產(chǎn)品不具備較好的適應(yīng)性和針對(duì)性，報(bào)警和檢測(cè)的發(fā)法和范圍存在差異性［4-5］，本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的公交車乘客下車安全檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可檢測(cè)出對(duì)乘客具有危險(xiǎn)的電動(dòng)車輛，并進(jìn)行車內(nèi)外警示，且整體結(jié)構(gòu)緊湊而簡(jiǎn)單，在最大限度上減少了因視線遮擋導(dǎo)致的乘客與電動(dòng)車之間的事故發(fā)生。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

公交車乘客下車安全檢測(cè)系統(tǒng)中以STC89C52單片機(jī)作為主控制器，系統(tǒng)整體硬件可分為主控模塊、電源模塊、檢測(cè)模塊、顯示模塊、按鍵模塊以及報(bào)警模塊。硬件系統(tǒng)框圖、各模塊在公交車內(nèi)分布情況以及總體電路原理圖，如圖1、2 和3所示。系統(tǒng)工作原理如下：系統(tǒng)使用前須通過(guò)按鍵模塊進(jìn)行參數(shù)的選定和系統(tǒng)的開(kāi)啟。在車外，公交車檢測(cè)模塊定時(shí)發(fā)出超聲波，單片機(jī)控制器通過(guò)計(jì)算檢測(cè)設(shè)備接收和發(fā)送的時(shí)間差計(jì)算電動(dòng)車輛的距離，并通過(guò)瞬間多次發(fā)射和接收超聲波信號(hào)計(jì)算車輛行駛速度，通過(guò)與初始設(shè)定參數(shù)值進(jìn)行比較，得到危險(xiǎn)的車速和車距，并及時(shí)傳遞信號(hào)到顯示模塊和報(bào)警模塊，顯示存在的實(shí)時(shí)速度和距離并及時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)；在車內(nèi)當(dāng)有乘客突然下車時(shí)，會(huì)及時(shí)觸發(fā)紅外接近傳感器，使其向單片機(jī)發(fā)送斷電信號(hào)，此時(shí)單片機(jī)將發(fā)送信號(hào)使得車外警示燈閃爍，提醒車外電動(dòng)車輛。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖2 各執(zhí)行模塊分布位置

圖3 總體電路原理圖

（一）主控模塊。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案［6-7］。以該單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心，電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、速度顯示電路、按鍵電路、報(bào)警電路、HC-SR04超聲波電路以及紅外接近電路等組成，單片機(jī)各接口分配情況如圖3所示。

（二）電源模塊。電源模塊包括電源轉(zhuǎn)換部分和太陽(yáng)能供電組件。電源轉(zhuǎn)換部分可將蓄電池中的24V電源轉(zhuǎn)化為單片機(jī)、報(bào)警模塊、以及檢測(cè)模塊所需的5V電源；太陽(yáng)能供電組件由單晶硅太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能電池控制器以及蓄電池組成，通過(guò)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能和電能的轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)進(jìn)行供電，如圖4所示。

圖4 電源模塊原理圖

（三）檢測(cè)模塊。檢測(cè)模塊由車外超聲波測(cè)距模塊和車內(nèi)紅外避障模塊構(gòu)成，采用型號(hào)為HC-SR04的超聲波距離傳感器，模塊整體分為超聲波發(fā)射和接收兩部分，超聲波發(fā)射部分可產(chǎn)生8個(gè)40KHZ的方波信號(hào)［8］。由單片機(jī)控制超聲波發(fā)射部分發(fā)射出超聲波信號(hào)，并及時(shí)接收和處理信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)對(duì)其發(fā)送和接收信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別車外具有危險(xiǎn)的電動(dòng)車輛。車外紅外避障模塊主要通過(guò)用紅外接近傳感器識(shí)別突然下車的乘客，使得車外下車警示燈閃爍提示急速行駛的車輛及時(shí)減速慢行。超聲波測(cè)距模塊和紅外避障模塊與單片機(jī)的具體接口情況，如圖3所示。

（四）報(bào)警模塊。報(bào)警模塊由車內(nèi)語(yǔ)音報(bào)警器以及車外報(bào)警燈組成，通過(guò)將檢測(cè)模塊測(cè)量的車速信號(hào)送入單片機(jī)控制器中進(jìn)行處理，并與單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定初始值相比較。如果超過(guò)了初始設(shè)定的最大值則可判斷電動(dòng)車輛的行駛速度較快，且有碰撞的危險(xiǎn)，然后通過(guò)單片機(jī)觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警器發(fā)出語(yǔ)音播報(bào)提示。語(yǔ)音報(bào)警器采用ISD1700語(yǔ)音芯片，它是一種高集成、高性能的芯片，可在系統(tǒng)試用前先錄好報(bào)警語(yǔ)音［9］。其MISO、MOSI、SCLK和SS端口分別與單片機(jī)的P2.0～P2.3接口相連接，如圖3所示。

（五）按鍵和顯示模塊。按鍵模塊主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)控制和以及對(duì)檢測(cè)來(lái)往電動(dòng)車輛參考速度初始數(shù)值設(shè)定。按鍵電路由四個(gè)開(kāi)關(guān)加上拉電阻構(gòu)成［10］，按鍵K1、K2、K3、K4分別對(duì)應(yīng)設(shè)置鍵、加鍵、減鍵和開(kāi)始或關(guān)閉檢測(cè)鍵。電路原理圖中按鍵模塊的接口分別與單片機(jī)的引腳的P1.4、P1.5、P1.6 和P1.7相接。顯示模塊在測(cè)試樣機(jī)中采用了較為廉價(jià)和簡(jiǎn)單的LCD1602，通過(guò)與單片機(jī)讀寫數(shù)據(jù)顯示車外電動(dòng)車輛的行駛速度值和相對(duì)下車乘客的距離，其中RS、RW和E接口分別與單片機(jī)P1.0～P1.2相接，D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，分別與單片機(jī)的P0.0～P0.7口相連。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）報(bào)警模塊程序。當(dāng)電源鍵按下，系統(tǒng)外部中斷、定時(shí)器以及串口等均初始化，這時(shí)候超聲波檢測(cè)模塊和紅外避障模塊開(kāi)始工作，超聲波模塊不斷把測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送到STC89C52單片機(jī)中，計(jì)算并判斷是否超速或者距離是否很近，否則將繼續(xù)判斷直到是為止；同時(shí)紅外接線傳感器時(shí)刻等待觸發(fā)，若觸發(fā)則單片機(jī)將發(fā)送報(bào)警信號(hào)，否則將繼續(xù)等待。當(dāng)超速時(shí)候調(diào)用程序中的報(bào)警處理子程序，由串口發(fā)送信號(hào)到報(bào)警指示燈和語(yǔ)音報(bào)警芯片，執(zhí)行相應(yīng)響應(yīng)程序。狀態(tài)燈由綠色變成紅色不斷閃爍，并且播放語(yǔ)音報(bào)警中事先錄好的聲音，流程如圖5所示。

圖5 報(bào)警程序流程圖

（二）超聲波檢測(cè)程序。系統(tǒng)中超聲波檢測(cè)采用時(shí)差法測(cè)速，如圖6所示，檢測(cè)一次的基本流程如下：對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化后，調(diào)用發(fā)射子程序產(chǎn)生兩個(gè)周期方波發(fā)射出去，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到接收器接收到反射方波時(shí)定時(shí)器0停止工作，將測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算放入儲(chǔ)存器里面，然后計(jì)算并顯示出第一次實(shí)時(shí)距離。此時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器1停止計(jì)時(shí)進(jìn)入外部中斷，同理再發(fā)射一次超聲波信號(hào)，同樣根據(jù)上述方法得到一個(gè)距離，放入儲(chǔ)存器。最后調(diào)用儲(chǔ)存器里面這兩個(gè)距離值相減，除以利用定時(shí)器1記錄的時(shí)間，進(jìn)而求出駛來(lái)電動(dòng)車輛的運(yùn)動(dòng)速度并顯示出來(lái)。

圖6 超聲波檢測(cè)程序流程圖

三、系統(tǒng)仿真與樣機(jī)調(diào)試

（一）系統(tǒng)仿真。由于樣機(jī)中的某些元器件在protus環(huán)境下仿真較為復(fù)雜或者仿真效果不顯著，因此，對(duì)系統(tǒng)仿真硬件采取一些簡(jiǎn)化。超聲波發(fā)射器在Proteus元件庫(kù)中難以找到，且超聲波難以通過(guò)仿真得出檢測(cè)，因此采用示波器進(jìn)行替代，分別用兩條頻率不一樣的聲波，來(lái)代替同一條聲波發(fā)射兩次的效果。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)仿真，將蜂鳴器報(bào)警代替樣機(jī)中的語(yǔ)音芯片ISD1700報(bào)警，由于超聲波檢測(cè)模塊相對(duì)紅外避障檢測(cè)模塊兩者硬件較為獨(dú)立，以超聲波檢測(cè)模塊為例進(jìn)行系統(tǒng)仿真示例。

圖7 超聲波檢測(cè)仿真硬件圖

由圖7所示，該仿真系統(tǒng)包括STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、示波器、蜂鳴器以及LCD1602顯示屏等。當(dāng)示波器發(fā)射兩條頻率不一樣的波形，可得到相應(yīng)的速度且在顯示在液晶屏上。通過(guò)調(diào)節(jié)電位鍵，改變電壓大小，來(lái)改變示波器的波形的頻率，顯示屏上的速度值發(fā)生改變。

圖8 系統(tǒng)仿真效果圖

如圖8所示，當(dāng)速度小于設(shè)定值50m/s時(shí)報(bào)警電路上面的R33電阻左端的紅點(diǎn)顯示為粉紅色，并且LCD顯示屏顯示當(dāng)前的速度，蜂鳴器未發(fā)出聲音。如圖9所示，當(dāng)速度大于設(shè)定值50m/s時(shí)報(bào)警電路上面的R33電阻前面的紅點(diǎn)變?yōu)樗{(lán)色，并且LCD顯示屏顯示當(dāng)前的速度，蜂鳴器發(fā)出滴滴嘟嘟的報(bào)警聲。

圖9 超速時(shí)仿真效果圖

（二）樣機(jī)調(diào)試。采用4個(gè)1.5V的5號(hào)電池代替太陽(yáng)能供電模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單樣機(jī)制作，如下圖10所示，并進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)效果的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明：當(dāng)有超過(guò)設(shè)定速度值的移動(dòng)物體經(jīng)過(guò)，該檢測(cè)系統(tǒng)基本能及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)語(yǔ)音警示，響應(yīng)速度較快，檢測(cè)靈敏度較好，在公交車乘客下車安全檢測(cè)中具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖10 調(diào)試樣機(jī)

四、結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)控制的方式實(shí)現(xiàn)了公交車乘客下車簡(jiǎn)易的檢測(cè)、語(yǔ)音播報(bào)、速度和距離實(shí)時(shí)顯示功能，達(dá)到了警示后方駛來(lái)的電動(dòng)車注意減速和避讓突然下車乘客的目的，完成了公交車乘客下車安全檢測(cè)系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬仿真和系統(tǒng)樣機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證了該檢測(cè)方法和樣機(jī)性能的穩(wěn)定性和可靠性，且系統(tǒng)整體具有電路簡(jiǎn)單、功耗低和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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［責(zé)任編輯 鄭麗娟］

TP29

A

2095-0438（2015）09-0140-04

2015－03-29

童向亞（1990－），男，湖南湘潭人，福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院在讀碩士，研究方向：機(jī)電傳動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)。

2014年福建省高等學(xué)校教學(xué)改革研究專項(xiàng)（JAS14684）；2014年福建農(nóng)林大學(xué)教改重點(diǎn)項(xiàng)目（111414008）；福建農(nóng)林大學(xué)高水平建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目（612014017）。