一種新型的低功耗雙路移動感應警示電路

沈建明，張柯坤，金夢瑤

（嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314036）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車越來越普及，在小區轉彎處和十字路口盲區發生交通事故的概率越來越大。目前在“L”或“T”形交通路口或小區盲區樹立一面凸面鏡（也叫廣角鏡），以瞭望對面的行人和車輛運行情況，以便及時做出反應，減少交通事故的發生[1]。

但是凸面鏡能夠看到的角度始終有限，有些連續轉彎路口當看到對面的車或人的時候已經來不及做出反應，因此本文提出了一種新型的低功耗雙路移動感應警示燈。主要應用在小區轉彎處和地下車庫盲區，或者十字路口死角等地方，為了防止盲區兩邊車輛由于看不到對方而碰撞的情況。

這款警示燈產品在國內基本沒有應用，而且相比凸面鏡來說成本較低，因此擁有比較好的市場前景。

1 設計內容

本項目采用雙路紅外傳感器檢測盲區兩側的移動物體（人或車），當只有一側傳感器探測到移動物體或者兩側傳感器均沒有探測到移動物體進入時，警示LED燈不亮；只有當兩側紅外傳感器在各自方向都檢測到移動物體時，兩側LED警示燈每秒閃爍兩次，并驅動一路喇叭聲音報警；直到其中一個方向的移動物體信號消失后延時3秒，兩側LED警示燈熄滅，喇叭關閉。探測示意圖如圖1所示。

圖1 示意圖

紅外運動探測器安裝在2.5~3米的高度，兩邊的檢測距離達到13米以上，考慮到一側移動物體有可能被遮擋，兩側傳感器電路均設計了可重復觸發模式并延時3秒（即檢測到移動信號，輸出由低電平變為高電平并延時3秒；3秒內繼續檢測到移動信號，輸出高電平再延時3秒；3秒內沒有檢測到移動信號，輸出低電平，繼續等待信號）。

警示燈電路主要有主控模塊、電源模塊、傳感器模塊和燈板模塊四個部分組成，總體設計框圖如圖2所示。

圖2 總體設計框圖

2 理論分析

2.1 移動目標運動學分析

設盲區路口的兩條道路分別為A1、A2，每條道路上各有一輛車分別以速度為v1、v2駛向路口，假設警示燈上兩個紅外移動探測器的探測距離分別為L1、L2，如圖3所示。

圖3 路口車輛運動分析

則從探測器探知目標，到目標車輛駛入路口的時間為：

2.2 移動目標不相遇的條件

如果警示燈兩側的紅外探測器型號相同，探測距離L1=L2，而移動目標的移動速度不同，則兩個目標在路口相遇，如表1所示，將會有以下幾種情況：

表1 移動目標路口相遇的幾種情況

從上述分析可以看出，在相同的預警距離下，當兩個移動目標的速度相差不大或者相等時，移動目標在路口相撞發生交通事故的概率最大。

假設警示燈的探測器發現目標后立即發出預警，車輛駕駛人或者行人立即采取措施進行減速或者制動，則移動目標不發生相撞的條件為：

式中，L為預警距離，t為預警時間，v為移動目標速度。

式（3）即為對于不同的車速和預警時間，需要紅外探測器提供的預警距離。

2.3 預警距離需求

依據前文分析，對于不同的車速和不同的預警時間，預警距離要求是不一樣的。表2所示為不同車速和預警時間下，對于預警距離要求。

表2 不同車速和預警時間下預警距離需求

從表2可以看出，預警時間越早，所需要的預警距離越大，車速越快，所需要的預警距離越大。

《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》第四十五條和四十六條，對不同情況下的機動車最高行駛速度有明確的規定。沒有道路中心線的道路，城市道路為每小時30公里，公路為每小時40公里；同方向只有1條機動車道的道路，城市道路為每小時50公里，公路為每小時70公里；通過鐵路道口、急彎路、窄路、窄橋時最高行駛速度不得超過每小時30公里。可以看出，在城市T字形、L形路口，一般要求車速不會超過每小時50公里，鄉村公路一般要求車速不會超過每小時40公里，轉彎路口多、視野不好的山間道路，一般不會超過每小時30公里。不同路況下限速要求和預警距離，如表3所示。

從表3可知，對在山區道路上行駛的車輛，提前1秒預警，所需要的預警距離為8.3米；在鄉村公路上行駛的車輛，提前1秒預警，所需要的預警距離為11.1米；在城市T、L形單車道行駛的車輛，提前1秒預警，所需要的預警距離為13.9米。如果需要提前2秒以上預警，所需要的預警距離會成比例增加。

表3 不同路況下預警距離需求

3 核心技術

3.1 低功耗設計

警示燈電路通過元件選型、電路設計、軟件設計實現超低功耗。

主控芯片選用TI生產的超低功耗芯片MSP430F4250[2,3]，此款單片機具有休眠模式，具有超低功耗的特點，工作電壓為1.8～3.6V，1MHz下工作電流僅為250μA；晶振采用32.768kHz手表晶振，PCB采用低功耗設計。

電源模塊選用低功耗寬電壓線性穩壓器HT7533，HT7533是一組CMOS技術實現的低功耗高電壓穩壓器CMOS技術可確保其具有低壓降和低靜態電流的特性，用到的外圍器件也很少。

軟件設計采用低功耗模式3（休眠模式）下工作，正常情況下工作電流在微安級，當檢測到兩路信號后喚醒工作，電流達到毫安級，信號消失后繼續休眠。

3.2 傳感器模塊設計

傳感器模塊選用被動紅外探測控制芯片NCS36000和被動紅外檢測傳感器PIR[4]的組合，NCS36000芯片是一款低功耗的混合信號處理芯片，通過調整NCS3600芯片外圍的電阻電容參數實現檢測信號的低噪聲兩級放大，檢測距離可以增大一倍左右，如圖4所示。

圖4 兩級放大設計框圖

此模塊有單脈沖檢測模式和雙脈沖檢測模式以供選擇，如圖5所示，單脈沖檢測模式即當檢測到單個脈沖（時間寬度大于48ms）就認為有移動信號；雙脈沖檢測模式是當檢測到第一個脈沖（時間寬度大于48ms）后，5秒內檢測到第二個脈沖（時間寬度大于48ms），才判斷有移動信號，如果5秒內沒有檢測到第二個脈沖，則重新檢測，這樣更加準確的判定移動信號，防止誤動作。

圖5 信號模式選擇方式

傳感器模塊設計電路框圖如圖6所示。PIR探頭采用的是全新原裝進口RE200B-P人體紅外熱釋電傳感器，能吸收大部分物體表面的紅外線輻射，同時輸出一個紅外線能量與溫度成比例關系的電壓信號[5]。系統應用的熱釋電紅外傳感器PIR靈敏度高，反應迅速，抗干擾性能強，且該傳感器本身不產生有害輻射，安全可靠，相比一般的高頻多普勒[6]移動感應傳感器，功耗更低，價格更加低廉[7]。

圖6 傳感器模塊框圖

本作品采用一種菲尼爾透鏡安裝在熱釋電傳感器PIR的窗口上，實現檢測距離的增大，菲涅爾鏡片是紅外線探頭的“眼鏡”,它就像人的眼鏡一樣,配用得當與否直接影響到使用的功效。配用得當能充分發揮人體感應的作用,使其應用領域不斷擴大。它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10~20米范圍內人的行動[8]。

菲涅爾透鏡的原理基于菲涅爾波帶片，菲涅爾波帶片具有類似透鏡的作用，它可以使入射光匯聚起來，產生極大的光強,其成像公式如下：

式中，ρ為光源到波帶的距離，r0為透鏡中心到像點的距離,R為透鏡半徑，m為波帶數，λ為入射光波長。

波帶片與透鏡有個重要的區別，即一個波帶片有很多焦點，上式給出的是它的主焦點，除此之外，還有一系列的次焦點，它們的距離分別為f/3、f/5、f/7...，在其對稱位置還有一系列虛焦點。

菲涅爾透鏡從外觀分類為長形,方形,圓形;從功能分類為單區多段,雙區多段,多區多段，如圖7所示。

圖7 菲尼爾透鏡分類

國內有關學者的研究數據表明[9],單區多段ML002透鏡探測距離為10m,雙區多段型8709SM透鏡探測距離為15m,多區多段型的7706和8204探測距離分別為25m和40m[10]，因此本作品采用多區多段型8204透鏡安裝到PIR傳感器上，探測距離足夠遠，也能有足夠的預警時間。

圖8 (a)為安裝菲涅爾透鏡前的檢測模塊電路板，圖8(b)為安裝了菲涅爾透鏡后的檢測模塊電路板。

圖8 安裝菲涅爾透鏡前后的檢測模塊

3.3 中斷喚醒程序設計

軟件設計采用IAR Embedded Workbench IDE進行編程，當只有一側傳感器探測到移動物體或者兩側傳感器均沒有探測到移動物體時，警示LED燈不亮；只有當兩側紅外傳感器在各自方向都檢測到移動物體時，兩側LED警示燈每秒閃爍兩次，并驅動一路喇叭聲音報警；直到其中一個方向的移動物體信號消失后延時3秒，兩側LED警示燈熄滅，喇叭關閉。主程序是雙路移動檢測中斷響應程序，考慮到一側移動物體有可能被遮擋，兩側傳感器硬件電路均設計了可重復觸發模式并延時3秒，因此軟件設計程序也要延時3秒；因此主要軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 軟件設計流程圖

另外在使用過程中電池電量耗盡就無法檢測，因此設計了低電量檢測報警電路，通過單片機檢測電池電量，當電池電量快要耗盡時，改變LED燈閃燈模式為交替閃燈以示報警，但不影響正常工作。低電量模式下還能使用3-4周時間，但要及時更換電池。

4 實驗測試

為取得本產品的主要技術指標和有關數據，需要進行多次多項實驗測試，實驗內容主要包括測試產品的功耗，測量傳感器檢測距離，判斷預警的有效性等。

4.1 功耗測試

警示燈電路處于工作狀態時，測量其電路工作電流約為5.3mA，圖10所示為電流測量過程。以電路連續工作1年計算電量：

圖10 電路工作電流測試

1年電量值=5.3mA×24H×365d=46428mAH

1節金霸王1號D型堿性電池的電量為14000mAH，6節電池的電量為84000mAH，因此理論情況下電路連續工作可持續工作時間=84000÷46428=1.81年，可以看出，理論上電路連續工作將近2年，實際由于電池電量損耗等因素，可連續工作1年左右。

4.2 預警距離測試

預警距離是本產品最重要的一個指標，獲得準確可靠的預警距離，對于產品的應用與推廣有非常重要作用。在測試實驗中，模擬兩組場景，一組場景是兩條道路上的移動目標分別是小轎車和電動車，另一組場景是兩條道路上的移動目標均是小轎車。實驗過程如圖11和12所示。實驗數據表明,警示燈的預警感應范圍為15M×3M，感應有效角度范圍為63°，有效角度30°時檢測距離最大達到14.8米，具體對應關系如圖13所示。

圖11 預警距離測試

圖12 預警距離測量

圖13 有效角度與預警距離關系圖

經過測試分析得出以下兩點結論：

(1)探測器安裝高度在2.5~3米的時候探測距離最大，且對探測范圍內地面上地小動物不產生報警，說明感應距離與安裝的高度有關。

(2)路口是否會相撞分為三種情況：

①兩側都是人在移動顯然不會發生交通事故；

②一側是汽車，一側是人，由于人的移動速度慢，看到警示后能夠及時避讓，汽車司機也會及時減速因此一般也不會發生交通事故；

③兩側都是汽車或者電瓶車時，就需要分析移動目標速度，在30km/h（8.3m/s）以下時，預警時間在1.8秒左右，移動目標速度在40km/h（11m/s）時，預警時間為1.35秒，一般能及時將車速降下來，避免事故。

移動目標速度在50km/h（13.8m/s）時，預警時間為1秒，反應靈敏的司機可采取緊急制動及時減速，如果在盲區路口車速超過50km/h就相當危險了，發生事故的概率將非常大。

4.3 雙路感應測試

當盲區路口兩個方向同時有移動物體（人或車）時，可通過每秒閃燈2次對人或車進行警示，并驅動喇叭發出聲音。當一側移動物體信號消失后，立刻停止閃燈警示。

4.4 復雜路況測試

當出現盲區路口有多輛車或多人經過的復雜路況時，即兩路傳感器在5秒內接受到3個以上的信號，警示燈采取快閃（每秒4次）的方式告知兩邊路口都要減速慢行，注意避讓。

5 主要技術指標

(1)供電電壓：DC 9V（6節1號D型堿性電池串聯）。

(2)工作電壓：DC 3.3V。

(3)電路板尺寸：主控板<9cm×3cm，傳感器<3cm×2cm，燈板<7cm×2cm。

(4)感應范圍：(L × H)15m ×3m。

(5)探測角度范圍：63° (墻面或柱子安裝) ，如圖13所示。

(6)單塊燈板功率：<0.02w。

(7)工作靜態電流：20μA。

(8)工作動態電流：5.3mA。

(9)工作溫度：-20℃-70℃。

(10)燈閃頻率：每秒2次，快慢可由程序控制。

(11)作品成本：<15元。

6 技術創新與優勢

6.1 技術創新

(1)低功耗設計：電源模塊和控制部分都能夠實現超低功耗設計，用6節1號D型堿性電池供電的話連續工作可以用上1年左右，正常情況不工作處于休眠狀態。

(2)檢測距離遠：主要考慮到汽車速度比較快，因此傳感器模塊采用低噪聲兩級放大混合信號處理芯片控制，在配合多區多段菲尼爾透鏡，檢測距離要達到13米以上穩定可靠。

(3)低電量檢測：當電池快耗盡時，通過單片機檢測電壓實現程序控制改變閃燈模式告知，以便及時更換電池。

(4)低成本設計：傳感器模塊和控制模塊都采用同一電源模塊3.3V供電，減少電路器件和PCB面積，減少成本。

6.2 技術優勢

(1)安裝簡便。無需外接電源，無需鋪設線路。

(2)綠色環保。不含有害物質，不排放污染物。

(3)警示效果好。LED采用臺灣晶元芯片，亮度高，警示效果好，光衰減慢。

(4)性能穩定。采用MSP430超低功耗單片機控制，保護電路齊全，功能穩定可靠。

(5)使用壽命長。LED使用壽命≥100000小時，電路板使用壽命15年。

(6)堅固耐用。鋁型材外殼和PC外殼相結合，抗沖擊，抗老化，耐腐蝕，鋁外框固定，裝置防水防塵達到IP56。

7 后期改進

由于低功耗雙路移動感應燈是采用電池供電的，等電池耗盡前需要更換電池，因此后期我們增加太陽能充電的方式以減少更換電池，讓電路工作的更持久。