摘要 為增加客車的安全性，提出了一種基于STC89C52單片機(jī)同時(shí)具有防超載和防撞功能的客車安全系統(tǒng)。通過(guò)研究超聲波測(cè)距原理和脈沖寬度調(diào)制原理，并對(duì)車身重量和障礙物的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)其功能。對(duì)該系統(tǒng)的安全性能和測(cè)量精度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

統(tǒng)計(jì)表明，在關(guān)于客車的交通事故中，超速和超載是事故發(fā)生的主要原因。本設(shè)計(jì)針對(duì)如何預(yù)防因超速而產(chǎn)生的車輛撞擊和防超載的發(fā)生進(jìn)行了一次探索。當(dāng)乘客全部上車后，車門關(guān)閉，智能車通過(guò)稱重傳感器進(jìn)行稱重，并將重量顯示在液晶屏上，若重量超過(guò)額定數(shù)值，蜂鳴器報(bào)警、小車無(wú)法開(kāi)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)防超載的功能。小車開(kāi)動(dòng)后，超聲波模塊開(kāi)始測(cè)距，當(dāng)小車與前方障礙物的距離低于規(guī)定距離30 cm時(shí)，電機(jī)減速;當(dāng)距離減小到安全距離以內(nèi)15 cm時(shí)，小車停駛，直到前方車輛遠(yuǎn)離小車才繼續(xù)行駛，起到了防撞的作用。本設(shè)計(jì)具有成本低、操作簡(jiǎn)便、體積小等特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案和工作原理

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，智能車以STC89C52作為主控芯片，使用電阻應(yīng)變式傳感器進(jìn)行稱重，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送至單片機(jī)同時(shí)將結(jié)果顯示在液晶屏上。文中使用HC-SR04模塊實(shí)現(xiàn)超聲波的收發(fā)，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，根據(jù)小車與障礙物的距離遠(yuǎn)近，產(chǎn)生不同的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)以達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，同時(shí)由1602液晶顯示距離。

1.2 電機(jī)調(diào)速原理

電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢與輸入電壓的大小和通斷有關(guān)，因此脈沖寬度調(diào)制(PWM)便成為了調(diào)節(jié)小車行駛速度的最佳方案。脈沖寬度調(diào)制，就是按照一定的頻率接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)不同的情況來(lái)改變通斷電源的時(shí)間。而電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢是通過(guò)改變電機(jī)上的平均電壓實(shí)現(xiàn)的，平均電壓值可通過(guò)電壓的占空比來(lái)改變。如圖2所示，當(dāng)電源接通時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)停止;通電時(shí)間越長(zhǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。所以，根據(jù)PWM原理對(duì)電機(jī)按頻率進(jìn)行通電和斷電，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的精確控制。電機(jī)在接通+6 V電壓下能以最快速度運(yùn)轉(zhuǎn)，假設(shè)在電機(jī)持續(xù)接通電源，電機(jī)的轉(zhuǎn)速能達(dá)到最大，設(shè)電機(jī)兩端電壓為Umax，而當(dāng)電源按頻率通斷時(shí)，占空比

，T(s)為信號(hào)周期，平均電壓為

Uav=Umax×P (1)

故平均速度為

v=kUav (2)

其中，k為系數(shù)。在T不變的情況下，改變接通電源的時(shí)間t就可改變平均速度。在本設(shè)計(jì)中，將占空比與電壓看成是近似的線性關(guān)系。

經(jīng)測(cè)試和計(jì)算，平均速度和平均電壓的關(guān)系式為

v=2.78Uav (3)

式中，v的單位為cm/s。

1.3 超聲波測(cè)距原理

設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為：在傳播介質(zhì)為氣體的條件下，從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘則是聲波傳輸距離，而所測(cè)距離是聲波傳輸距離的1/2，即

式(4)中，L為待測(cè)距離;v聲為聲速(約340 m/s);t聲為脈沖波往返的時(shí)間。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，主控芯片選擇的是STC89C52，因其操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大、加密性強(qiáng)，同時(shí)還具有超強(qiáng)抗干擾性能，工作溫度范圍大，且支持在線系統(tǒng)編程(ISP)。

2.2 測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

超聲波選用頻率為40 kHz的矩形脈沖波，因這一頻率的聲波在空氣中的傳播效率最佳。HC-SR04是收發(fā)一體式超聲波傳感器，可提供0～200 cm的非接觸式距離遙測(cè)功能，其中心頻率為40.0±1.0 kHz。單片機(jī)IO口發(fā)送一個(gè)超過(guò)10 mV的高電平信號(hào)，模塊則會(huì)發(fā)送8個(gè)連續(xù)的40 kHz脈沖波，接收端開(kāi)始檢測(cè)有無(wú)返回信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)的定時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，單片機(jī)外中斷INT0被觸發(fā)進(jìn)入公式計(jì)算程序，最終得出結(jié)果。

2.3 稱重模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，具有體積小、操作簡(jiǎn)便、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。其含有A、B雙通道供使用者選擇，通道內(nèi)部與其低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，通道B增益為32。HX711與51單片機(jī)的接口與編程簡(jiǎn)單，只需對(duì)串口通訊PD_SCK和DOUT進(jìn)行編程。

PD_SCK應(yīng)輸入25～27個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖，根據(jù)脈沖數(shù)的不同選擇不同的通道和增益，本系統(tǒng)軟件選擇A通道128倍增益對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.3.2 電阻應(yīng)變式稱重傳感器

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的工作原理是將其內(nèi)部應(yīng)變片兩端的電壓變化與物體的重量建立線性關(guān)系。應(yīng)變片粘貼在力敏型彈性元件上，當(dāng)彈性元件受力時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的形變，應(yīng)變片自身的電阻也發(fā)生變化，由此將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而由于受力引起的應(yīng)變片電阻的變化與電路的電壓變化成正比，只需測(cè)出輸出電壓的數(shù)值，再經(jīng)過(guò)公式換算即可得到所測(cè)量物體的重量。

2.4 電路驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

L298N是雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其可通過(guò)單片機(jī)的IO口直接提供信號(hào)，且輸入輸出的電壓范圍大，支持5～35 V的直流電壓輸入，能經(jīng)IN1、IN2、IN3、IN4和ENA、ENB輸出3～15 V的電壓，保證了直流電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。在控制方面，單片機(jī)IO口對(duì)INX輸入不同的高低電平可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止的功能，IO口輸入電平與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如表1所示;利用單片機(jī)IO口產(chǎn)生的不同占空比PWM信號(hào)輸入ENA、ENB兩個(gè)端口則可實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速、減速的功能。

2.5 供電單元

電源部分如圖3所示，采用7.4 V鋰電池供電，通過(guò)L298N電機(jī)與PWM信號(hào)的輸入端口給電機(jī)提供穩(wěn)定的6 V電壓，但系統(tǒng)的大部分芯片均工作在5 V電壓下，因此需要電源模塊為系統(tǒng)提供5 V電壓。因此選用LM7805電源模塊，其能將7.4 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓。如圖3所示，為提高輸出電壓的穩(wěn)定性，將穩(wěn)壓二極管VD2串接在LM7805的2腳與地之間，VD1作為輸出保護(hù)二極管，當(dāng)輸出電壓低于VD2的穩(wěn)壓值時(shí)，VD1導(dǎo)通，并將輸出電流旁路，以確保LM7805的輸出端不受損壞。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序的總流程如圖4所示。軟件主要由3部分構(gòu)成，分別為：驅(qū)動(dòng)程序、稱重程序和測(cè)距程序。首先，初始化定時(shí)器T0和T1的工作方式分別賦初值，T0的初值設(shè)為1 mV，T1的初值設(shè)為0。

驅(qū)動(dòng)程序產(chǎn)生PWM信號(hào)以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)給定時(shí)器T0設(shè)定初值和計(jì)數(shù)器最大值100來(lái)確定PWM信號(hào)的周期。定時(shí)器T0每產(chǎn)生1次中斷計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值小于給定數(shù)值時(shí)輸出高電平，反之則輸出低電平。

稱重程序根據(jù)HX711自身芯片的特點(diǎn)對(duì)DOUT和PD_SCK兩管腳進(jìn)行編程，先給PD_SCK串口25個(gè)時(shí)鐘脈沖，當(dāng)?shù)?5個(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿到來(lái)時(shí)，由DOUT向單片機(jī)IO口按位寫入數(shù)據(jù)，第25個(gè)脈沖寫入已讀出數(shù)據(jù)的最高位(MSB)。單片機(jī)將數(shù)據(jù)由高位到低位讀入后，再經(jīng)公式轉(zhuǎn)換得出重量。

測(cè)距程序用定時(shí)器T1計(jì)算超聲波來(lái)回的時(shí)間，當(dāng)接收端收到反射回的40 kHz脈沖波時(shí)，觸發(fā)INT0外中斷，同時(shí)T1停止計(jì)時(shí)，TH1和TL1中的數(shù)據(jù)便是測(cè)得的時(shí)間。另外，當(dāng)定時(shí)器T1溢出時(shí)觸發(fā)定時(shí)器中斷，將定時(shí)器清零以防止超聲波進(jìn)入測(cè)量盲區(qū)時(shí)造成的結(jié)果錯(cuò)誤。稱重程序和測(cè)距程序處于兩個(gè)獨(dú)立的死循環(huán)之中，當(dāng)按鍵按下時(shí)，完成兩功能的轉(zhuǎn)換。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 稱重模塊的測(cè)試

測(cè)試選取1 kg和2 kg砝碼等不同重量物品。首先將待測(cè)物品放置在已調(diào)好的零點(diǎn)電子稱上進(jìn)行測(cè)量，并以該數(shù)據(jù)作為參照值。然后開(kāi)機(jī)，等待液晶屏上的讀數(shù)穩(wěn)定顯示0，再將被測(cè)物體放置在稱臺(tái)上，等讀數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄，同時(shí)采用稱3次取平均值的方法進(jìn)行記錄并計(jì)算測(cè)量誤差。

誤差公式為

4.2 超聲波測(cè)距模塊測(cè)試

將一把米尺固定在水平地面作為參照值，小車放在0 cm處。將一塊擋板放在米尺的10 cm、30 cm、50 cm等測(cè)試點(diǎn)并讀取液晶屏顯示的讀數(shù)，并采用測(cè)3次取平均值的方法進(jìn)行記錄，同時(shí)計(jì)算誤差。

4.3 車輛防撞性能測(cè)試

當(dāng)車與障礙物距離為30 cm時(shí)，車速減速為8.3 cm/s;當(dāng)兩者距離為15 cm時(shí)，車輛停止，而當(dāng)兩者距離>30 cm時(shí)，車輛正常行駛。測(cè)試通過(guò)設(shè)定不同的初始速度如：測(cè)量車遇到障礙物后的制動(dòng)距離、停下時(shí)與障礙物的距離以及液晶屏顯示的距離和誤差。

結(jié)果表明，當(dāng)小車以最大速度行駛，面對(duì)前方障礙物的情況下，小車仍可安全制動(dòng)，且未與障礙物發(fā)生碰撞，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的安全性。結(jié)果如表4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是將稱重和測(cè)距功能相結(jié)合，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)完成了對(duì)小車的驅(qū)動(dòng)控制并通過(guò)稱重模塊準(zhǔn)確稱出小車載重的總重量。同時(shí)利用通過(guò)超聲波模塊測(cè)量小車與前方障礙物的距離，并使用液晶屏顯示各種運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果。從運(yùn)行情況上看，本設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。