91550部隊(duì) 邵翔宇 胡國(guó)欣

隨著國(guó)內(nèi)汽車數(shù)量的增加，因超速引起的交通事故越來(lái)越多，減速帶作為一種限速效果較為明顯且投資較小的交通安全設(shè)施，在很多地區(qū)被大量使用。但減速帶“濫用”、損害汽車、噪音等都是當(dāng)前應(yīng)用中存在的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的智能減速帶控制系統(tǒng)，通過(guò)載重量來(lái)判斷車輛類型，結(jié)合車輛速度判斷確定是否為危險(xiǎn)速度，繼而控制減速帶升降。經(jīng)過(guò)室內(nèi)外模擬測(cè)試后得出：系統(tǒng)能對(duì)超速超重車輛進(jìn)行速度限制，又能使絕大多數(shù)未超速的汽車實(shí)現(xiàn)無(wú)害通過(guò)，對(duì)未來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化減速帶功能具有一定意義。

隨著時(shí)代進(jìn)步，近年來(lái)我國(guó)汽車保有量大幅增加,而超速駕駛正是交通事故的主要原因，減速帶是一種限速效果較為明顯且投資較小的交通安全設(shè)施。但目前多數(shù)減速帶仍存在設(shè)置隨意、未搭配其他標(biāo)識(shí)、高峰期道路堵塞等問(wèn)題，因此新型減速帶的設(shè)計(jì)刻不容緩。

劉金等人設(shè)計(jì)了一種安裝有減震軸的減速帶，減震軸減輕車輛的震動(dòng)幅度，減少慢行車輛的零部件損傷，保護(hù)了車輛安全。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，基于測(cè)試技術(shù)的獎(jiǎng)罰式智能減速帶和基于自適應(yīng)理論的可升降減速帶開(kāi)始應(yīng)用。當(dāng)前設(shè)計(jì)的可升降智能減速帶，都考慮到依據(jù)車速調(diào)整減速帶高度，但是都未考慮區(qū)分車型分類限速，也未考慮不同時(shí)段車輛速度的限制措施。

在充分借鑒現(xiàn)有智能減速帶測(cè)速功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于AVR ATmega64單片機(jī)的自適應(yīng)智能減速帶控制系統(tǒng)，運(yùn)用車速傳感器和重量傳感器技術(shù)，增加了車重車型檢測(cè)部分，采集通行車輛的速度、重量等信息，設(shè)計(jì)合理速度控制方案。當(dāng)車速在安全范圍內(nèi)，不易引起交通事故時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得減速帶降低，使得車輛正常無(wú)障礙通過(guò)；反之，當(dāng)車速在過(guò)快時(shí)或存在交通事故隱患時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得減速帶升高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包含單片機(jī)、雷達(dá)測(cè)速、重量傳感器和繼電器等部分組成，如圖1所示，主要完成車輛速度判斷、車型識(shí)別、升降電機(jī)控制等功能。在車輛到來(lái)時(shí)，通過(guò)重量傳感器測(cè)得車輛重量、判斷車型，結(jié)合車輛的速度及加減速狀態(tài)，確定減速帶升降，控制繼電器吸合，操作升降電機(jī)上升或下降。

圖1 智能減速帶控制系統(tǒng)構(gòu)成

考慮到單一頻率多普勒雷達(dá)測(cè)速方案只具有測(cè)速功能不具有測(cè)距功能，激光、視頻等測(cè)距方案，在大霧、雨雪天氣精度易受影響，所以本系統(tǒng)選用雷達(dá)測(cè)速方案，器件采用基于調(diào)頻連續(xù)波（FM Continuous Wave,FMCW）體制24GHz雷達(dá)。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要采用Altium Designer軟件進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)。由單片機(jī)及外圍電路、串口電路、電源電路、電壓測(cè)量電路、繼電器及控制電路等組成。

（1）單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，其功能是完成車輛數(shù)據(jù)處理和減速帶電機(jī)升降的決策。如圖2所示，石英晶體振蕩器X1及電容C28和C30構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，選擇22pF貼片電容。Atmega64單片機(jī)的PB0、PB1、PB2、PB3、PB4用于控制繼電器通斷，PE0、PE1、PD2、PD3配置用于串口通信，PF0、PF1配置成模擬信號(hào)輸入并啟用ADC功能用于測(cè)量電壓，AVCC、AGND、AREF分別為模擬電源、模擬地以及模擬參考電壓基準(zhǔn)。

圖2 單片機(jī)電路

（2）串口電路

ATmage64單片機(jī)的串行口電平為5V TTL電平，所以必須先進(jìn)行電平變換。本系統(tǒng)采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232進(jìn)行電平變換，其電路如圖3所示。J4用于同計(jì)算機(jī)通信，用于控制系統(tǒng)工作狀態(tài)；J5用于同測(cè)速模塊進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)中可以連接RS232串口線或串口無(wú)線通信模塊。

圖3 串口電平轉(zhuǎn)換接口電路

（3）電源電路

由于外部供電與電路板單片機(jī)及其他元器件所需電壓并不完全相同，為保證系統(tǒng)的正常工作，需要設(shè)計(jì)電源電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。如圖4所示，U5是LM2596-5.0開(kāi)關(guān)電源芯片，它能將12V直流電源變換成5.0V輸出，為系統(tǒng)供電。D4、L3、C9、C8構(gòu)成LM22596-5.0的外圍電路，其中D4為快恢復(fù)肖特基二極管。

圖4 電源降壓電路

（4）電壓測(cè)量電路

重量傳感器輸出的電壓范圍與單片機(jī)ADC的輸入范圍并不匹配，需要通過(guò)集成運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓變換，如圖5所示。電路采用Agilent公司HCNR200線性光耦元件作為隔離器件，隔離傳感器和主板電源不同造成的高壓損害和信號(hào)干擾。

圖5 電壓測(cè)量隔離電路

（5）繼電器控制電路

如圖6所示，圖中U10是四路光耦PS2801-4，將單片機(jī)輸出5V電壓轉(zhuǎn)換為繼電器所需12V電壓，并起隔離電壓作用。電器標(biāo)號(hào)KG1、KG2、KG3、KG4分別接到單片機(jī)的PB0、PB1、PB2、PB3。光耦的輸出端JDQ1-4分別用于控制繼電器1、2，繼電器3、4，繼電器5、6，繼電器7、8。繼電器采用HHC67E，其控制電壓為12V，直流30V通斷電流30A，開(kāi)關(guān)次數(shù)超過(guò)100000次。圖7中的Q1、R100、R101、JDQ1和Q2、R102、R103、JDQ2組成兩組開(kāi)關(guān)電路。

圖6 繼電器控制光耦電路

圖7 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)單片機(jī)PB0輸出0V低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)光耦PS2801使得JDQ1電壓為12V高，三極管Q1、Q2導(dǎo)通，繼電器1-2吸合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得減速帶下降。反之主控板單片機(jī)控制PB3輸出低電平，繼電器5-6吸合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得減速帶上升。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用Atmel公司AVR Studio 4軟件及ICE仿真器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。程序的主要工作流程如圖8所示，大致是：（1）開(kāi)機(jī)后單片機(jī)進(jìn)行初始化，配置串口、定時(shí)器、ADC和相關(guān)端口，使得減速帶上升電機(jī)工作，將減速帶調(diào)整至高位置。（2）當(dāng)收到關(guān)閉減速帶智能控制后，判斷減速帶現(xiàn)狀，若處于高位置則降低減速帶高度，反之則保持原裝，使得道路通暢。（3）在開(kāi)啟減速帶智能控制時(shí)，主控板監(jiān)測(cè)測(cè)速主板發(fā)送的距離觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)收到信號(hào)后，采集車輛重量信息判斷車型，會(huì)向測(cè)速主板發(fā)送車速請(qǐng)求，接收測(cè)速主板發(fā)送的實(shí)時(shí)速度。（4）主控程序結(jié)合車型和車速判斷速度是否處于安全狀態(tài)，車速安全則使得減速帶處于低位置，反之則使得減速帶處于高位置。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)智能基于單片機(jī)的智能減速帶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，對(duì)設(shè)計(jì)的軟硬件進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試主要分為室內(nèi)模擬測(cè)試和室外模擬測(cè)試組成。

室外測(cè)速即在室外仿真應(yīng)用的場(chǎng)景，用于檢驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能。選取某小區(qū)周邊單行道用于仿真測(cè)試，小型車為小轎車和面包車，大型車為中巴車。車型和車速界定值同室內(nèi)測(cè)試，表1為測(cè)試用例。

表1 測(cè)試用例

通過(guò)室外測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在小型車速小于12km/h時(shí)，下降減速帶繼電器吸合；當(dāng)小型車速大于12km/h時(shí)，上升減速帶繼電器吸合。發(fā)現(xiàn)在大型車速小于6km/h時(shí)，下降減速帶繼電器吸合；當(dāng)大型車速大于6km/h時(shí)，上升減速帶繼電器吸合。更改車型和車速界定后，系統(tǒng)功能正常。

對(duì)測(cè)速傳感器和測(cè)重傳感器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果誤差滿足測(cè)量要求。基于該系統(tǒng)的智能減速帶，既能對(duì)超速超重車輛進(jìn)行速度限制，又能使絕大多數(shù)未超速的汽車實(shí)現(xiàn)無(wú)害通過(guò)。

結(jié)論：針對(duì)現(xiàn)有減速帶應(yīng)用中存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)智能減速帶控制系統(tǒng)，采集通行車輛的速度、重量信息，設(shè)計(jì)合理速度控制方案，使得當(dāng)車速安全時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得減速帶降低；反之，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得減速帶升高，限制車輛速度?；谠撓到y(tǒng)的智能減速帶，既能對(duì)超速超重車輛進(jìn)行速度限制，又能使絕大多數(shù)未超速的汽車實(shí)現(xiàn)無(wú)害通過(guò)，從而降低對(duì)未超速的車輛的損害，減少環(huán)境噪聲，提高公路的通行效率，對(duì)減速帶的控制應(yīng)用有實(shí)用價(jià)值。后續(xù)將繼續(xù)探索更為準(zhǔn)確高效的車型識(shí)別方法，如計(jì)算機(jī)智能圖像識(shí)別、車牌牌號(hào)識(shí)別等方案，使得車型識(shí)別更為準(zhǔn)確。