自行車行駛安全警示系統設計

黃秋婷　楊智　黃子君

摘 要 目前國內外針對自行車安全警示系統的設計還不夠完善，市面上出現的安全警示裝置雖然精度很高，但同時價格也較為昂貴。為此設計一款性價比比較高的安全警示系統。本文基于STM32微處理器設計一款自行車行駛安全警示系統，從速度與距離這兩個方面進行衡量，綜合確定自行車當前的安全狀態。測距技術采用US-100超聲波模塊測距，測速技術采用光電測速。經仿真測試，系統能較為精確的測量與障礙物的距離，以及當前行駛速度。本設計具有一定的實用價值。

關鍵詞 STM32 安全行駛 警示系統

中圖分類號：F224.1文獻標識碼：A

0引言

隨著經濟的快速發展，生活節奏日益加快，由于缺少運動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仍有待提高，市場上出現一種對磁場敏感性元件霍爾元件以及紅外測距來提高自行車行駛的安全系數，但在測速以及測距方面仍存在不足之處，為此本文基于超聲波測距模塊和單片機控制系統及顯示模塊和LED燈預警裝置判斷與障礙物距離，完成警示作用，采用測速傳感器。

1系統方案

本系統采用模塊化設計，分為測速模塊、測距模塊、報警裝置、調速模塊以及人機接口模塊，系統結構圖如圖2.1所示。

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

2硬件設計

2.1微處理電路

微處理電路主要由下載電路、復位電路、穩壓電源、時鐘電路組成。STM32上引腳PA2，PA3，PB10，PB12連接超聲波模塊;PC13對應Key0按鍵接口; PB1，PB5，PB8連接報警裝置;PC6，PB12，PB13，PB15用于連接OLED屏;PA8是PWM輸出口;PA9 用于調節車輪轉向;PB7與測速模塊連接。

2.2超聲波電路

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

2.3 L298N硬件接口

因為要驅動兩個自行車車輪轉動，必須要有兩個使能端口以及輸入信號端口，因此使能端ENA與ENB相連接單片機引腳口PA8口，IN1與IN2同時接PA9，驅動模塊輸出接電機1與電機2，兩電機模擬自行車車輪，V1至V8二極管起到續流保護的作用（反電勢），硬件電路連接如圖3.3。

2.4 OLED顯示屏接口

控制輸入數據/命令引腳DC接單片機PB12口，復位REST接單片機PC6口，時鐘引腳SCL接單片機PB13口，數據口SID接單片機PB15口，因此與單片機連接只需四個口線，節省IO口，模塊接口連接如圖3.4。

2.5 光電測速接口

測速模塊OUT引腳與單片機引腳PB7相連，PB7引腳口配置為輸入形式，以1us的時間頻率不斷檢測OUT引腳輸出的電平大小，OUT相當于數字開關，當遮光區有遮擋物時相當于關狀態，無遮擋時相當于開狀態，連接電路如圖3.5。

2.6 報警裝置接口

由于自行車分為前后輪，故本系統采用兩個LED燈，分別判定前后輪的安全距離，車前LED引腳連接單片機PB1引腳，后輪LED引腳接單片機PB5引腳。蜂鳴器與單片機連接引腳為PB0，檢測速度超速時報警，警示裝置電路如圖3.6。

3軟件設計

本系統代碼主要是對PWM，OLED，URSTER串口，KEY、報警裝置（LED、蜂鳴器）分塊編寫子函數，在main函數中調用。

測距部分，先進行串口初始化，分別對時鐘使能、模式設置、參數初始化以及編寫中斷函數，本系統使用串口2和串口3，單片機串口發送指令給TX端口，超聲波模塊便可以發送超聲波脈沖，檢測到回波信號，之后對當前溫度測量進行校正，將校正后的結果通過RX管腳輸出，輸出距離值共有兩個字節，需要分為高低位進行傳輸，設高8位為Hdate，低8為Ldate，得出的結果為毫米，最后距離值為（Hdate*256+Ldate）mm，將所測距離與單片機設置的安全距離進行比較，當測得的距離超過安全距離時，啟動報警裝置。

測速部分，先進行定時器1控制占空比從而調節速度快慢，本系統設置四個檔位速度，接著采用定時器3計數方式，計算電機經過一圈所需時間t，當電機接上外輪，此時電機帶有車輪，便可知道其外接輪子的周長大小s，速度公式為v=s/t，便可得出自行車行駛速度大小，將所測的速度與單片機設置的安全速度進行比較，當所測的速度大于單片機設置的最大速度時，啟動報警裝置，軟件流程圖如圖4.1。

4實驗分析

自行車行駛安全警示音控系統經過實驗，不斷完善達到了預期的效果，對于自行車安全警示音控系統設計和實現過程主要集中在以下幾點：對自行車行駛安全距離以及安全速度進行檢測，當自行車的當前行駛速度超過安全速度則發出蜂鳴器報警，若當前自行車車身與障礙物距離小于3米，則發出LED燈光報警，圖5.1為實驗平臺，圖5.2為OLED顯示實驗所測距離及速度參數。

測試超聲波模塊時，當障礙物與傳感器距離小于設定安全距離時，對應的LED燈報警。為驗證所測距離的準確度，將實際距離和超聲波測距進行多次比對，隨機挑選4個距離數據分別是4252mm，3252mm，2610mm，760mm;實際距離值分別為4232mm，3251mm，2613mm，476mm。所有數據誤差均在1%范圍內。

通過實驗對比發現超聲波測距誤差非常小，其能夠精確的測出自行車前后車身與障礙物的距離，且測量響應速度非常快。

速度模塊測試，選擇四個模擬速度進行觀測，模擬的速度大小分別為12m/s，8 m/s，5.5 m/s，3 m/s;實際測量速度分別為11.859m/s，7.96 m/s，5.49 m/s，3.01 m/s。對比速度數據可知，隨著速度增大，測量誤差也會相應增大。最大誤差出現在模擬速度為12m/s時，誤差為1.17%。實驗表明測試模塊的測量精度非常高。實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時視為嚴重超速，危及人身安全，系統便啟動蜂鳴器報警。

5結束語

本文基于STM32F103的自行車安全警示裝置能高精度檢測距離及行駛速度，其性價比高、安裝簡單，具有一定實用性。

基金項目：課題：湖南文理學院科研項目：無線光通信中的信標光捕獲跟蹤方法研究（15YB03）;湖南省教育廳項目：強電磁干擾環境下的CDMA電磁測深技術研究（18C0741）。

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

參考文獻

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