摘要 為增加客車的安全性，提出了一種基于STC89C52單片機同時具有防超載和防撞功能的客車安全系統(tǒng)。通過研究超聲波測距原理和脈沖寬度調制原理，并對車身重量和障礙物的距離進行實時監(jiān)測以實現(xiàn)其功能。對該系統(tǒng)的安全性能和測量精度進行了測試，結果表明，系統(tǒng)達到了設計要求。

統(tǒng)計表明，在關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。本設計針對如何預防因超速而產(chǎn)生的車輛撞擊和防超載的發(fā)生進行了一次探索。當乘客全部上車后，車門關閉，智能車通過稱重傳感器進行稱重，并將重量顯示在液晶屏上，若重量超過額定數(shù)值，蜂鳴器報警、小車無法開動，以實現(xiàn)防超載的功能。小車開動后，超聲波模塊開始測距，當小車與前方障礙物的距離低于規(guī)定距離30 cm時，電機減速;當距離減小到安全距離以內15 cm時，小車停駛，直到前方車輛遠離小車才繼續(xù)行駛，起到了防撞的作用。本設計具有成本低、操作簡便、體積小等特點。

1 總體設計方案和工作原理

1.1 總體設計方案

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，智能車以STC89C52作為主控芯片，使用電阻應變式傳感器進行稱重，并將采集到的數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉換后發(fā)送至單片機同時將結果顯示在液晶屏上。文中使用HC-SR04模塊實現(xiàn)超聲波的收發(fā)，并將測得的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，根據(jù)小車與障礙物的距離遠近，產(chǎn)生不同的脈沖寬度調制信號以達到實時調節(jié)電機轉速的目的，同時由1602液晶顯示距離。

1.2 電機調速原理

電機轉速的快慢與輸入電壓的大小和通斷有關，因此脈沖寬度調制(PWM)便成為了調節(jié)小車行駛速度的最佳方案。脈沖寬度調制，就是按照一定的頻率接通和斷開電源，并根據(jù)不同的情況來改變通斷電源的時間。而電機轉速快慢是通過改變電機上的平均電壓實現(xiàn)的，平均電壓值可通過電壓的占空比來改變。如圖2所示，當電源接通時，電機運轉;斷開時，電機停止;通電時間越長，電機轉速越快。所以，根據(jù)PWM原理對電機按頻率進行通電和斷電，便可實現(xiàn)對電機速度的精確控制。電機在接通+6 V電壓下能以最快速度運轉，假設在電機持續(xù)接通電源，電機的轉速能達到最大，設電機兩端電壓為Umax，而當電源按頻率通斷時，占空比

，T(s)為信號周期，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，改變接通電源的時間t就可改變平均速度。在本設計中，將占空比與電壓看成是近似的線性關系。

經(jīng)測試和計算，平均速度和平均電壓的關系式為

v=2.78Uav (3)

式中，v的單位為cm/s。

1.3 超聲波測距原理

設計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為：在傳播介質為氣體的條件下，從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波經(jīng)氣體介質的傳播到接收器的時間即往返時間，往返時間與氣體介質中的聲速相乘則是聲波傳輸距離，而所測距離是聲波傳輸距離的1/2，即

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

2 硬件設計

2.1 主控芯片設計

設計中，主控芯片選擇的是STC89C52，因其操作簡便、功能強大、加密性強，同時還具有超強抗干擾性能，工作溫度范圍大，且支持在線系統(tǒng)編程(ISP)。

2.2 測距模塊設計

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功能，其中心頻率為40.0±1.0 kHz。單片機IO口發(fā)送一個超過10 mV的高電平信號，模塊則會發(fā)送8個連續(xù)的40 kHz脈沖波，接收端開始檢測有無返回信號，同時單片機的定時器T1開始計時。當有信號返回時，單片機外中斷INT0被觸發(fā)進入公式計算程序，最終得出結果。

2.3 稱重模塊設計

2.3.1 模數(shù)轉換模塊

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位雙通道模數(shù)轉換器芯片，具有體積小、操作簡便、抗干擾性強的特點。其含有A、B雙通道供使用者選擇，通道內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單片機的接口與編程簡單，只需對串口通訊PD_SCK和DOUT進行編程。

PD_SCK應輸入25～27個不等的時鐘脈沖，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倍增益對數(shù)據(jù)進行轉換。

2.3.2 電阻應變式稱重傳感器

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

2.4 電路驅動模塊的設計

L298N是雙H橋直流電機驅動芯片，其可通過單片機的IO口直接提供信號，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，保證了直流電機的穩(wěn)定運轉。在控制方面，單片機IO口對INX輸入不同的高低電平可實現(xiàn)電機的正反轉和停止的功能，IO口輸入電平與電機運行狀態(tài)如表1所示;利用單片機IO口產(chǎn)生的不同占空比PWM信號輸入ENA、ENB兩個端口則可實現(xiàn)電機加速、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L298N電機與PWM信號的輸入端口給電機提供穩(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作為輸出保護二極管，當輸出電壓低于VD2的穩(wěn)壓值時，VD1導通，并將輸出電流旁路，以確保LM7805的輸出端不受損壞。

3 軟件設計

程序的總流程如圖4所示。軟件主要由3部分構成，分別為：驅動程序、稱重程序和測距程序。首先，初始化定時器T0和T1的工作方式分別賦初值，T0的初值設為1 mV，T1的初值設為0。

驅動程序產(chǎn)生PWM信號以控制電機轉速，通過給定時器T0設定初值和計數(shù)器最大值100來確定PWM信號的周期。定時器T0每產(chǎn)生1次中斷計數(shù)器加1，當計數(shù)器的數(shù)值小于給定數(shù)值時輸出高電平，反之則輸出低電平。

稱重程序根據(jù)HX711自身芯片的特點對DOUT和PD_SCK兩管腳進行編程，先給PD_SCK串口25個時鐘脈沖，當?shù)?5個時鐘脈沖下降沿到來時，由DOUT向單片機IO口按位寫入數(shù)據(jù)，第25個脈沖寫入已讀出數(shù)據(jù)的最高位(MSB)。單片機將數(shù)據(jù)由高位到低位讀入后，再經(jīng)公式轉換得出重量。

測距程序用定時器T1計算超聲波來回的時間，當接收端收到反射回的40 kHz脈沖波時，觸發(fā)INT0外中斷，同時T1停止計時，TH1和TL1中的數(shù)據(jù)便是測得的時間。另外，當定時器T1溢出時觸發(fā)定時器中斷，將定時器清零以防止超聲波進入測量盲區(qū)時造成的結果錯誤。稱重程序和測距程序處于兩個獨立的死循環(huán)之中，當按鍵按下時，完成兩功能的轉換。

4 測試結果

4.1 稱重模塊的測試

測試選取1 kg和2 kg砝碼等不同重量物品。首先將待測物品放置在已調好的零點電子稱上進行測量，并以該數(shù)據(jù)作為參照值。然后開機，等待液晶屏上的讀數(shù)穩(wěn)定顯示0，再將被測物體放置在稱臺上，等讀數(shù)穩(wěn)定后進行記錄，同時采用稱3次取平均值的方法進行記錄并計算測量誤差。

誤差公式為

4.2 超聲波測距模塊測試

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等測試點并讀取液晶屏顯示的讀數(shù)，并采用測3次取平均值的方法進行記錄，同時計算誤差。

4.3 車輛防撞性能測試

當車與障礙物距離為30 cm時，車速減速為8.3 cm/s;當兩者距離為15 cm時，車輛停止，而當兩者距離>30 cm時，車輛正常行駛。測試通過設定不同的初始速度如：測量車遇到障礙物后的制動距離、停下時與障礙物的距離以及液晶屏顯示的距離和誤差。

結果表明，當小車以最大速度行駛，面對前方障礙物的情況下，小車仍可安全制動，且未與障礙物發(fā)生碰撞，從而驗證了本設計的安全性。結果如表4所示。

5 結束語

設計的創(chuàng)新點是將稱重和測距功能相結合，同時通過單片機完成了對小車的驅動控制并通過稱重模塊準確稱出小車載重的總重量。同時利用通過超聲波模塊測量小車與前方障礙物的距離，并使用液晶屏顯示各種運行狀態(tài)和測量結果。從運行情況上看，本設計運行穩(wěn)定，可靠性高，達到了設計要求。