朱貴憲，馬 聰

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南 安陽 455000)

0 引言

為保障騎行者的人身安全，近年來交通管理部門出臺規(guī)定，要求電動車騎行人必須佩戴頭盔，以保護其生命安全。目前，評價頭盔質(zhì)量的優(yōu)劣主要是考慮其結(jié)實程度即耐受多大的撞擊力；少數(shù)頭盔帶有太陽板，對安裝在它上面的電風扇提供電能支持，起到一定的降溫作用；基于成本因素，智能化程度普遍較低，因此迫切需要設計一款智能化的頭盔裝置，集行車暫停提醒、左右轉(zhuǎn)向指示、夜間照明功能于一體，以便更好地滿足市場需求。

1 硬件系統(tǒng)設計

1.1 關(guān)鍵芯片介紹

硬件系統(tǒng)由發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成，無論是發(fā)送系統(tǒng)還是接收系統(tǒng)，其關(guān)鍵芯片都是兩個，分別是STC89C52RC單片機和無線收發(fā)送模塊nRF24L01，其中STC89C52RC起核心控制作用，nRF24L01起無線信號的收發(fā)作用。

STC89C52RC單片機簡介：STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的微控制器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，能夠為嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活有效的解決方案[1]。具有以下標準功能：8 k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4 KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu))，全雙工串行口。

nRF24L01無線收發(fā)器芯片簡介：nRF24L01由NORDIC公司生產(chǎn)，工作在2.4 GHz～2.5 GHz、ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。常應用于無線門禁、安防系統(tǒng)、遙控裝置、遙感勘測等領(lǐng)域。芯片采用低功耗設計，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0 dBm時，電流消耗為11.3 mA，接收模式時電流消耗為12.3 mA。內(nèi)設4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達8 Mbps，輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置，適合與各種MCU連接，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳送工作。

1.2 發(fā)送系統(tǒng)設計

與自行車測速儀安裝方法類似，發(fā)送系統(tǒng)安裝在車把手位置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，發(fā)送系統(tǒng)由STC89C52RC單片機、無線發(fā)送模塊nRF24L01和3個按鍵組成。3個按鍵與單片機的P0口連接，它們分別是左轉(zhuǎn)向按鍵、右轉(zhuǎn)向按鍵和行車暫停按鍵。在某一時刻，單片機只能接收某一按鍵發(fā)出的信號(比如右轉(zhuǎn)向按鍵按下)，經(jīng)過單片機識別判斷，再通過無線發(fā)送模塊nRF24L01發(fā)送無線信號(內(nèi)含右轉(zhuǎn)向信息)到安裝在頭盔上面的接收系統(tǒng)。

圖1 發(fā)送系統(tǒng)框圖

發(fā)送模塊共設置K1、K2、K3 3個按鍵，分別對應左轉(zhuǎn)向按鍵、右轉(zhuǎn)向按鍵和行車暫停按鍵，每個按鍵中都配置LED指示燈及限流電阻，如圖2所示，3個按鍵的其中一端與地相接，另一端分別連接單片機的P0.0、P0.1、P0.2口[2]。

圖2 發(fā)送端按鍵模塊與單片機的連接

本設計直接采用nRF24L01成品模塊實現(xiàn)與單片機的連接，從單片機控制的角度來看，除了電源和地的連接，我們只需關(guān)注nRF24L01集成模塊的6個控制和數(shù)據(jù)信號，它們分別是：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ，單片機與nRF24L01集成模塊的連接如圖3所示。

圖3 單片機與nRF24L01集成模塊的連接

1.3 接收系統(tǒng)設計

接收系統(tǒng)(包括指示燈)安裝在頭盔的合適位置，其組成框圖如圖4所示，接收系統(tǒng)由STC89C52RC單片機、無線接收模塊nRF24L01和4個指示燈組成，其中夜間照明指示燈主要用于夜間行車照明，安裝在頭盔的正前方，采用手動開關(guān)方式控制，另外3個指示燈分別是左轉(zhuǎn)向指示燈、右轉(zhuǎn)向指示燈和行車暫停指示燈，安裝在頭盔的正后方，并采用單片機進行控制，當無線接收模塊nRF24L01接收到來自發(fā)送端發(fā)送的無線信號(比如是右轉(zhuǎn)向信號)，經(jīng)過單片機分析判斷，根據(jù)騎行人不同的需求，驅(qū)動3個指示燈當中的一個發(fā)光(比如點亮右轉(zhuǎn)向指示燈)。

圖4 接收系統(tǒng)框圖

對于接收系統(tǒng)，單片機通過P1端口實現(xiàn)與nRF24L01無線接收模塊的連接，其連接方式如前面圖3所示，與發(fā)送模塊的引腳連接方式相同。

接收系統(tǒng)里面的左轉(zhuǎn)向指示燈、右轉(zhuǎn)向指示燈和行車暫停指示燈，分別與單片機的P2.7口、P2.6口和P2.5口連接[3]，其連接電路如圖5所示，其中每個端口發(fā)光二極管的數(shù)目可根據(jù)亮度和指示箭頭形狀的需要做適當調(diào)整。

圖5 單片機與轉(zhuǎn)向指示燈的連接

2 系統(tǒng)軟件設計

本設計的軟件部分采用C51語言來編寫程序，以keil4軟件為開發(fā)平臺，通過編譯生成擴展名為“.hex”的文件[4]，并通過STC-ISP下載到單片機系統(tǒng)運行。軟件設計分為兩個部分，一是發(fā)送系統(tǒng)軟件設計，二是接收系統(tǒng)軟件設計。

2.1 發(fā)送系統(tǒng)軟件設計

發(fā)送端程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)開機后，首先對STC89C52RC單片機和nRF24L01模塊初始化，把nRF24L01配置成PTX工作模式[5]，然后進行按鍵掃描。掃描行車暫停按鍵是否被按下，如果是，則通過nRF24L01模塊發(fā)送行車暫停按鍵信號到接收端；如果否，則檢查左轉(zhuǎn)向按鍵是否被按下，如果是，則發(fā)送左轉(zhuǎn)向按鍵到發(fā)送端；如果否，則檢查右轉(zhuǎn)向按鍵是否被按下，如果是，則發(fā)送右轉(zhuǎn)向按鍵到發(fā)送端；如果否，則回頭繼續(xù)進行按鍵掃描。

圖6 發(fā)送端程序流程圖

2.2 接收系統(tǒng)軟件設計

接收系統(tǒng)開機后，首先對單片機進行初始化，并把nRF24L01模塊配置成PRX工作模式，當接收到發(fā)送端發(fā)來的數(shù)據(jù)后，nRF24L01產(chǎn)生接收中斷標志，單片機從nRF24L01模塊讀取數(shù)據(jù)并進行判斷，來決定點亮行車暫停指示燈、左轉(zhuǎn)向指示燈或右轉(zhuǎn)向指示燈當中的一個，接收端程序流程圖如圖7所示。

圖7 接收端程序流程圖

3 結(jié)語

本設計采用STC89C52RC單片機與nRF24L01無線收發(fā)器模塊組建發(fā)送系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)送系統(tǒng)通過按鍵模塊發(fā)送行車暫停信號或左右轉(zhuǎn)向信號，接收系統(tǒng)接收到信號后，通過頭盔上的LED指示燈顯示騎行者目前正在進行行車暫停、左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，這樣就可以實現(xiàn)電動車在轉(zhuǎn)向過程中給后方跟進車輛一個明顯的提醒信號，避免后面車輛躲閃不及而引發(fā)追尾事故，從而起到保護騎行者安全的作用。