黃秋婷　楊智　黃子君

摘 要 目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)自行車安全警示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還不夠完善，市面上出現(xiàn)的安全警示裝置雖然精度很高，但同時(shí)價(jià)格也較為昂貴。為此設(shè)計(jì)一款性價(jià)比比較高的安全警示系統(tǒng)。本文基于STM32微處理器設(shè)計(jì)一款自行車行駛安全警示系統(tǒng)，從速度與距離這兩個(gè)方面進(jìn)行衡量，綜合確定自行車當(dāng)前的安全狀態(tài)。測(cè)距技術(shù)采用US-100超聲波模塊測(cè)距，測(cè)速技術(shù)采用光電測(cè)速。經(jīng)仿真測(cè)試，系統(tǒng)能較為精確的測(cè)量與障礙物的距離，以及當(dāng)前行駛速度。本設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 STM32 安全行駛 警示系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：F224.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活節(jié)奏日益加快，由于缺少運(yùn)動(dòng)許多人被亞健康所困擾，再者隨著城市交通壓力的增加，人們意識(shí)到汽車出行尾氣等弊處，開始提倡綠色出行，因此越來越多人選擇自行車作為出行或者上班的交通工具，但是自行車過程中安全系數(shù)仍有待提高，市場(chǎng)上出現(xiàn)一種對(duì)磁場(chǎng)敏感性元件霍爾元件以及紅外測(cè)距來提高自行車行駛的安全系數(shù)，但在測(cè)速以及測(cè)距方面仍存在不足之處，為此本文基于超聲波測(cè)距模塊和單片機(jī)控制系統(tǒng)及顯示模塊和LED燈預(yù)警裝置判斷與障礙物距離，完成警示作用，采用測(cè)速傳感器。

1系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為測(cè)速模塊、測(cè)距模塊、報(bào)警裝置、調(diào)速模塊以及人機(jī)接口模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。

測(cè)距采用超聲波技術(shù)。超聲波模塊選用US-100，其距離測(cè)量范圍為2cm至4.5m，工作電壓2.4V至5.5V，感應(yīng)角度小于15度。測(cè)速采用無接觸光電傳感器，其具有精度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。顯示模塊采用型號(hào)為SSD1306的OLED屏，其具有安裝空間小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1微處理電路

微處理電路主要由下載電路、復(fù)位電路、穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘電路組成。STM32上引腳PA2，PA3，PB10，PB12連接超聲波模塊;PC13對(duì)應(yīng)Key0按鍵接口; PB1，PB5，PB8連接報(bào)警裝置;PC6，PB12，PB13，PB15用于連接OLED屏;PA8是PWM輸出口;PA9 用于調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)向;PB7與測(cè)速模塊連接。

2.2超聲波電路

STM32的PA2、PA3 可用于串口通信，分別為TXD和RXD，由于本系統(tǒng)需要兩個(gè)超聲波，另一個(gè)超聲波的TXD與RXD接STM32的B10與B11引腳。本設(shè)計(jì)中將這兩個(gè)I0配置成串口通信模式，超聲波模塊發(fā)送PWM電路如圖3.2，超聲波接收電路是發(fā)送電路的對(duì)稱電路，故電路和圖3.2相同。

2.3 L298N硬件接口

因?yàn)橐?qū)動(dòng)兩個(gè)自行車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，必須要有兩個(gè)使能端口以及輸入信號(hào)端口，因此使能端ENA與ENB相連接單片機(jī)引腳口PA8口，IN1與IN2同時(shí)接PA9，驅(qū)動(dòng)模塊輸出接電機(jī)1與電機(jī)2，兩電機(jī)模擬自行車車輪，V1至V8二極管起到續(xù)流保護(hù)的作用（反電勢(shì)），硬件電路連接如圖3.3。

2.4 OLED顯示屏接口

控制輸入數(shù)據(jù)/命令引腳DC接單片機(jī)PB12口，復(fù)位REST接單片機(jī)PC6口，時(shí)鐘引腳SCL接單片機(jī)PB13口，數(shù)據(jù)口SID接單片機(jī)PB15口，因此與單片機(jī)連接只需四個(gè)口線，節(jié)省IO口，模塊接口連接如圖3.4。

2.5 光電測(cè)速接口

測(cè)速模塊OUT引腳與單片機(jī)引腳PB7相連，PB7引腳口配置為輸入形式，以1us的時(shí)間頻率不斷檢測(cè)OUT引腳輸出的電平大小，OUT相當(dāng)于數(shù)字開關(guān)，當(dāng)遮光區(qū)有遮擋物時(shí)相當(dāng)于關(guān)狀態(tài)，無遮擋時(shí)相當(dāng)于開狀態(tài)，連接電路如圖3.5。

2.6 報(bào)警裝置接口

由于自行車分為前后輪，故本系統(tǒng)采用兩個(gè)LED燈，分別判定前后輪的安全距離，車前LED引腳連接單片機(jī)PB1引腳，后輪LED引腳接單片機(jī)PB5引腳。蜂鳴器與單片機(jī)連接引腳為PB0，檢測(cè)速度超速時(shí)報(bào)警，警示裝置電路如圖3.6。

3軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)代碼主要是對(duì)PWM，OLED，URSTER串口，KEY、報(bào)警裝置（LED、蜂鳴器）分塊編寫子函數(shù)，在main函數(shù)中調(diào)用。

測(cè)距部分，先進(jìn)行串口初始化，分別對(duì)時(shí)鐘使能、模式設(shè)置、參數(shù)初始化以及編寫中斷函數(shù)，本系統(tǒng)使用串口2和串口3，單片機(jī)串口發(fā)送指令給TX端口，超聲波模塊便可以發(fā)送超聲波脈沖，檢測(cè)到回波信號(hào)，之后對(duì)當(dāng)前溫度測(cè)量進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過RX管腳輸出，輸出距離值共有兩個(gè)字節(jié)，需要分為高低位進(jìn)行傳輸，設(shè)高8位為Hdate，低8為L(zhǎng)date，得出的結(jié)果為毫米，最后距離值為（Hdate*256+Ldate）mm，將所測(cè)距離與單片機(jī)設(shè)置的安全距離進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)得的距離超過安全距離時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警裝置。

測(cè)速部分，先進(jìn)行定時(shí)器1控制占空比從而調(diào)節(jié)速度快慢，本系統(tǒng)設(shè)置四個(gè)檔位速度，接著采用定時(shí)器3計(jì)數(shù)方式，計(jì)算電機(jī)經(jīng)過一圈所需時(shí)間t，當(dāng)電機(jī)接上外輪，此時(shí)電機(jī)帶有車輪，便可知道其外接輪子的周長(zhǎng)大小s，速度公式為v=s/t，便可得出自行車行駛速度大小，將所測(cè)的速度與單片機(jī)設(shè)置的安全速度進(jìn)行比較，當(dāng)所測(cè)的速度大于單片機(jī)設(shè)置的最大速度時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警裝置，軟件流程圖如圖4.1。

4實(shí)驗(yàn)分析

自行車行駛安全警示音控系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，不斷完善達(dá)到了預(yù)期的效果，對(duì)于自行車安全警示音控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程主要集中在以下幾點(diǎn)：對(duì)自行車行駛安全距離以及安全速度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)自行車的當(dāng)前行駛速度超過安全速度則發(fā)出蜂鳴器報(bào)警，若當(dāng)前自行車車身與障礙物距離小于3米，則發(fā)出LED燈光報(bào)警，圖5.1為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖5.2為OLED顯示實(shí)驗(yàn)所測(cè)距離及速度參數(shù)。

測(cè)試超聲波模塊時(shí)，當(dāng)障礙物與傳感器距離小于設(shè)定安全距離時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED燈報(bào)警。為驗(yàn)證所測(cè)距離的準(zhǔn)確度，將實(shí)際距離和超聲波測(cè)距進(jìn)行多次比對(duì)，隨機(jī)挑選4個(gè)距離數(shù)據(jù)分別是4252mm，3252mm，2610mm，760mm;實(shí)際距離值分別為4232mm，3251mm，2613mm，476mm。所有數(shù)據(jù)誤差均在1%范圍內(nèi)。

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)超聲波測(cè)距誤差非常小，其能夠精確的測(cè)出自行車前后車身與障礙物的距離，且測(cè)量響應(yīng)速度非?？?。

速度模塊測(cè)試，選擇四個(gè)模擬速度進(jìn)行觀測(cè)，模擬的速度大小分別為12m/s，8 m/s，5.5 m/s，3 m/s;實(shí)際測(cè)量速度分別為11.859m/s，7.96 m/s，5.49 m/s，3.01 m/s。對(duì)比速度數(shù)據(jù)可知，隨著速度增大，測(cè)量誤差也會(huì)相應(yīng)增大。最大誤差出現(xiàn)在模擬速度為12m/s時(shí)，誤差為1.17%。實(shí)驗(yàn)表明測(cè)試模塊的測(cè)量精度非常高。實(shí)際中自行車安全的行駛速度范圍為3m/s至8m/s，如果行駛超過10m/s時(shí)視為嚴(yán)重超速，危及人身安全，系統(tǒng)便啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

5結(jié)束語

本文基于STM32F103的自行車安全警示裝置能高精度檢測(cè)距離及行駛速度，其性價(jià)比高、安裝簡(jiǎn)單，具有一定實(shí)用性。

基金項(xiàng)目：課題：湖南文理學(xué)院科研項(xiàng)目：無線光通信中的信標(biāo)光捕獲跟蹤方法研究（15YB03）;湖南省教育廳項(xiàng)目：強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的CDMA電磁測(cè)深技術(shù)研究（18C0741）。

作者簡(jiǎn)介：楊智（1986-），男，漢族，湖南株洲，碩士研究生，助教，研究方向：通信系統(tǒng)與信號(hào)處理。

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