童向亞 朱 舟 鄭書河（福建農林大學機電工程學院 福建福州 350002）

基于STC89C52單片機的公交車乘客下車安全檢測系統(tǒng)設計

童向亞 朱 舟 鄭書河
（福建農林大學機電工程學院 福建福州 350002）

針對公交車?？空九茣r，時常與人行道臺階之間保留大于600mm的間隙，乘客下車后存在被間隙內快速行駛的電動車輛撞倒的安全隱患問題，文章設計了一種基于STC89C52單片機的公交車乘客下車安全檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波傳播速度為確定條件，利用時差法測量間隙內電動車輛的速度以及相對下車乘客的距離，并對具有危險的電動車輛進行識別和車內外報警。在Proteus軟件環(huán)境下進行了檢測系統(tǒng)的模擬仿真，并進一步制作和調試運行系統(tǒng)樣機，驗證了該檢測系統(tǒng)的可行性。

公交車；乘客；電動車輛；單片機

每年交通事故引發(fā)原因和事故類型統(tǒng)計表明，公交車在?？抗徽九聘浇鼤r，與電動車輛之間的交通事故發(fā)生頻率較高。事故產生的原因多集中在乘客上下車時，尤其集中在每天的上下班高峰期，由于電動車輛并未察覺到突然下車的乘客，且乘客未觀察到公交車內側高速行駛過來的電動車輛，造成了下車乘客與電動車輛的沖撞，加劇了上下班高峰期的交通擁擠，為此發(fā)生很多不該發(fā)生的人員傷亡和財產損

失［1-3］。

為了改變現(xiàn)有公交車乘客下車安全現(xiàn)狀，減少下車乘客與電動車輛的沖撞事故發(fā)生，提高公交車整體安全性能，彌補目前針對公交車乘客下車安全的檢測裝置的不足，以及其他類似檢測報警產品不具備較好的適應性和針對性，報警和檢測的發(fā)法和范圍存在差異性［4-5］，本文設計了一種基于STC89C52單片機的公交車乘客下車安全檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可檢測出對乘客具有危險的電動車輛，并進行車內外警示，且整體結構緊湊而簡單，在最大限度上減少了因視線遮擋導致的乘客與電動車之間的事故發(fā)生。

一、系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

公交車乘客下車安全檢測系統(tǒng)中以STC89C52單片機作為主控制器，系統(tǒng)整體硬件可分為主控模塊、電源模塊、檢測模塊、顯示模塊、按鍵模塊以及報警模塊。硬件系統(tǒng)框圖、各模塊在公交車內分布情況以及總體電路原理圖，如圖1、2 和3所示。系統(tǒng)工作原理如下：系統(tǒng)使用前須通過按鍵模塊進行參數(shù)的選定和系統(tǒng)的開啟。在車外，公交車檢測模塊定時發(fā)出超聲波，單片機控制器通過計算檢測設備接收和發(fā)送的時間差計算電動車輛的距離，并通過瞬間多次發(fā)射和接收超聲波信號計算車輛行駛速度，通過與初始設定參數(shù)值進行比較，得到危險的車速和車距，并及時傳遞信號到顯示模塊和報警模塊，顯示存在的實時速度和距離并及時進行語音播報；在車內當有乘客突然下車時，會及時觸發(fā)紅外接近傳感器，使其向單片機發(fā)送斷電信號，此時單片機將發(fā)送信號使得車外警示燈閃爍，提醒車外電動車輛。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖2 各執(zhí)行模塊分布位置

圖3 總體電路原理圖

（一）主控模塊。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案［6-7］。以該單片機最小系統(tǒng)為控制核心，電源電路、時鐘電路、復位電路、速度顯示電路、按鍵電路、報警電路、HC-SR04超聲波電路以及紅外接近電路等組成，單片機各接口分配情況如圖3所示。

（二）電源模塊。電源模塊包括電源轉換部分和太陽能供電組件。電源轉換部分可將蓄電池中的24V電源轉化為單片機、報警模塊、以及檢測模塊所需的5V電源；太陽能供電組件由單晶硅太陽能電池組件、太陽能電池控制器以及蓄電池組成，通過實現(xiàn)太陽能和電能的轉換，為系統(tǒng)進行供電，如圖4所示。

圖4 電源模塊原理圖

（三）檢測模塊。檢測模塊由車外超聲波測距模塊和車內紅外避障模塊構成，采用型號為HC-SR04的超聲波距離傳感器，模塊整體分為超聲波發(fā)射和接收兩部分，超聲波發(fā)射部分可產生8個40KHZ的方波信號［8］。由單片機控制超聲波發(fā)射部分發(fā)射出超聲波信號，并及時接收和處理信號。通過單片機對其發(fā)送和接收信號進行處理，識別車外具有危險的電動車輛。車外紅外避障模塊主要通過用紅外接近傳感器識別突然下車的乘客，使得車外下車警示燈閃爍提示急速行駛的車輛及時減速慢行。超聲波測距模塊和紅外避障模塊與單片機的具體接口情況，如圖3所示。

（四）報警模塊。報警模塊由車內語音報警器以及車外報警燈組成，通過將檢測模塊測量的車速信號送入單片機控制器中進行處理，并與單片機內部設定初始值相比較。如果超過了初始設定的最大值則可判斷電動車輛的行駛速度較快，且有碰撞的危險，然后通過單片機觸發(fā)語音報警器發(fā)出語音播報提示。語音報警器采用ISD1700語音芯片，它是一種高集成、高性能的芯片，可在系統(tǒng)試用前先錄好報警語音［9］。其MISO、MOSI、SCLK和SS端口分別與單片機的P2.0～P2.3接口相連接，如圖3所示。

（五）按鍵和顯示模塊。按鍵模塊主要實現(xiàn)檢測系統(tǒng)開關控制和以及對檢測來往電動車輛參考速度初始數(shù)值設定。按鍵電路由四個開關加上拉電阻構成［10］，按鍵K1、K2、K3、K4分別對應設置鍵、加鍵、減鍵和開始或關閉檢測鍵。電路原理圖中按鍵模塊的接口分別與單片機的引腳的P1.4、P1.5、P1.6 和P1.7相接。顯示模塊在測試樣機中采用了較為廉價和簡單的LCD1602，通過與單片機讀寫數(shù)據(jù)顯示車外電動車輛的行駛速度值和相對下車乘客的距離，其中RS、RW和E接口分別與單片機P1.0～P1.2相接，D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，分別與單片機的P0.0～P0.7口相連。

二、系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

（一）報警模塊程序。當電源鍵按下，系統(tǒng)外部中斷、定時器以及串口等均初始化，這時候超聲波檢測模塊和紅外避障模塊開始工作，超聲波模塊不斷把測得的數(shù)據(jù)傳送到STC89C52單片機中，計算并判斷是否超速或者距離是否很近，否則將繼續(xù)判斷直到是為止；同時紅外接線傳感器時刻等待觸發(fā)，若觸發(fā)則單片機將發(fā)送報警信號，否則將繼續(xù)等待。當超速時候調用程序中的報警處理子程序，由串口發(fā)送信號到報警指示燈和語音報警芯片，執(zhí)行相應響應程序。狀態(tài)燈由綠色變成紅色不斷閃爍，并且播放語音報警中事先錄好的聲音，流程如圖5所示。

圖5 報警程序流程圖

（二）超聲波檢測程序。系統(tǒng)中超聲波檢測采用時差法測速，如圖6所示，檢測一次的基本流程如下：對單片機進行初始化后，調用發(fā)射子程序產生兩個周期方波發(fā)射出去，同時啟動定時器0開始計時，直到接收器接收到反射方波時定時器0停止工作，將測得數(shù)據(jù)計算放入儲存器里面，然后計算并顯示出第一次實時距離。此時啟動定時器1，當下一個上升沿到來時，定時器1停止計時進入外部中斷，同理再發(fā)射一次超聲波信號，同樣根據(jù)上述方法得到一個距離，放入儲存器。最后調用儲存器里面這兩個距離值相減，除以利用定時器1記錄的時間，進而求出駛來電動車輛的運動速度并顯示出來。

圖6 超聲波檢測程序流程圖

三、系統(tǒng)仿真與樣機調試

（一）系統(tǒng)仿真。由于樣機中的某些元器件在protus環(huán)境下仿真較為復雜或者仿真效果不顯著，因此，對系統(tǒng)仿真硬件采取一些簡化。超聲波發(fā)射器在Proteus元件庫中難以找到，且超聲波難以通過仿真得出檢測，因此采用示波器進行替代，分別用兩條頻率不一樣的聲波，來代替同一條聲波發(fā)射兩次的效果。為了進一步簡化系統(tǒng)仿真，將蜂鳴器報警代替樣機中的語音芯片ISD1700報警，由于超聲波檢測模塊相對紅外避障檢測模塊兩者硬件較為獨立，以超聲波檢測模塊為例進行系統(tǒng)仿真示例。

圖7 超聲波檢測仿真硬件圖

由圖7所示，該仿真系統(tǒng)包括STC89C52單片機最小系統(tǒng)、示波器、蜂鳴器以及LCD1602顯示屏等。當示波器發(fā)射兩條頻率不一樣的波形，可得到相應的速度且在顯示在液晶屏上。通過調節(jié)電位鍵，改變電壓大小，來改變示波器的波形的頻率，顯示屏上的速度值發(fā)生改變。

圖8 系統(tǒng)仿真效果圖

如圖8所示，當速度小于設定值50m/s時報警電路上面的R33電阻左端的紅點顯示為粉紅色，并且LCD顯示屏顯示當前的速度，蜂鳴器未發(fā)出聲音。如圖9所示，當速度大于設定值50m/s時報警電路上面的R33電阻前面的紅點變?yōu)樗{色，并且LCD顯示屏顯示當前的速度，蜂鳴器發(fā)出滴滴嘟嘟的報警聲。

圖9 超速時仿真效果圖

（二）樣機調試。采用4個1.5V的5號電池代替太陽能供電模塊進行簡單樣機制作，如下圖10所示，并進行實際檢測效果的實驗調試，調試結果表明：當有超過設定速度值的移動物體經過，該檢測系統(tǒng)基本能及時進行系統(tǒng)語音警示，響應速度較快，檢測靈敏度較好，在公交車乘客下車安全檢測中具有一定的實際應用價值。

圖10 調試樣機

四、結語

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機控制的方式實現(xiàn)了公交車乘客下車簡易的檢測、語音播報、速度和距離實時顯示功能，達到了警示后方駛來的電動車注意減速和避讓突然下車乘客的目的，完成了公交車乘客下車安全檢測系統(tǒng)的智能化設計。通過模擬仿真和系統(tǒng)樣機調試，驗證了該檢測方法和樣機性能的穩(wěn)定性和可靠性，且系統(tǒng)整體具有電路簡單、功耗低和操作簡單等特點，具有一定的實用價值和應用前景。

［1］陳永忠.快速路公交運營交通安全研究［D］.重慶交通大學，2012.

［2］劉玲.摩托車與公交車共享專用道安全管理研究［D］.西南交通大學，2012.

［3］任保寬.城市公交客車安全技術要求及性能檢測研究［D］.長安大學，2013.

［4］韓昆.車載的占用公交車道電子警察系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.重慶大學，2013.

［5］丁建梅，王常虹，蔣賢才.基于上游出口檢測的公交優(yōu)先信號控制［J］.吉林大學學報（工學版），2009（S2）.

［6］王寶剛，李東潔.基于STC89C52的水溫自動控制系統(tǒng)設計［J］.制造業(yè)自動化，2012（18）.

［7］陳立彬，劉剛.于STC89C52的電動機轉速測量系統(tǒng)設計［J］.微特電機，2011（8）：75-76.

［8］唐陽山，楊培菲，邱瑞，等.基于AT89S52汽車倒車防撞預警系統(tǒng)的設計［J］.遼寧工業(yè)大學學報（自然科學版），2013（6）.

［9］曾婷，萬星宇.ISD1700系列語音芯片原理與應用設計［J］.價值工程，2011（23）.

［10］居水榮，陸建恩，張海磊.幾種應用于觸摸感應電路的ESD保護結構設計［J］.半導體技術，2014（4）.

［責任編輯 鄭麗娟］

TP29

A

2095-0438（2015）09-0140-04

2015－03-29

童向亞（1990－），男，湖南湘潭人，福建農林大學機電工程學院在讀碩士，研究方向：機電傳動控制與監(jiān)測。

2014年福建省高等學校教學改革研究專項（JAS14684）；2014年福建農林大學教改重點項目（111414008）；福建農林大學高水平建設重點項目（612014017）。