电动车智能安全辅助系统
摘 要：文章主要介绍一种新型的电动车智能安全辅助系统，实时采集电动车行车车速，通过单片机系统做出安全距离判断，控制电机进行调速，并做出声光报警。本文介绍总体设计方案的选定以及思路，重点针对硬件电路、系统软件设计进行了分析，并通过实验调试，最终达到了设计目的。
关键词：STC15F2K60S2单片机；超声波测距；声光报警；安全辅助
中图分类号：U264
为了减少电动车事故的发生，给拥有电动车的用户提供安全感，本文介绍的安全辅助系统是一种简单可靠、使用方便且价格低廉的电动车智能安全辅助系统，具有很高的应用价值。
1 系统总体设计方案
本系统主要应用在电动自行车上，将本系统的装置安装在电动车上，就可以通过数码管动态跟踪显示当前车速；并通过LCD显示器显示与行车前方的车辆或者障碍物的距离。对距离上限、中限、下限值等参数设定；可以对距离、时间、定时等报警允许参数设置；最大量程及最小分辨率均由用户设置；支持增值测距功能。行车时如果与前车间距低于当前车速规定的安全距离时，声音报警提醒驾驶者减速防止追尾前车，并亮起尾灯提醒后面的车辆防止追尾。预留升级空间，未来的市场化产品可以添加语音模块以实现语音提示预警。
根据产品性价比和实际需要，选用STC所研制的单片机芯片STC15F2K60S2。具有大容量2048字节片内RAM数据存储。属于1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比传统8051快7～12倍，速度也比STC早期的1T系列单片机（如STC12/11/10系列）的速度快20%。并且具有宽电压工作特性，电压范围可在5.5～3.8V。内部高精度R/C时钟，±1%温飘（-40℃～+85℃），常温下温飘5‰，可彻底省掉外部昂贵的晶体时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选。内部高可靠复位，ISP编程时8级复位门槛电压可选，彻底省掉外部复位电路。在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器。
开发使用软件环境：本设计采用keiluVision4开发环境，stc-isp-15xx-v6.21烧录程序以及Protel99se制板软件，上位机选择安装Windows764位操作系统的PC机。
本系统添加超声波测距模块和电动车电机控制模块，实时显示行车过程中的车速，并采用车速的1/10作为安全距离，通过测距模块检测当前车距和安全距离，从而实现碰撞检测预警系统。系统由超声波测距模块、电机控制模块，单片机最小系统，辅助电路（复位电路和晶振电路）及LCD和数码管显示模块等。如图1所示：
图1 系统总体设计结构方框图
2 硬件电路设计方案
本系统的硬件电路主要是主板设计以及超声波和电机测速的设计安装等。主板设计主要完成的任务是STC15F2K60S2单片机外围电路、电机驱动模块，超声波测速模块、液晶模块等的设计。
2.1 电机驱动模块。采用双电机驱动小车作为电动自行车的替代实验方案。为避免分立原件搭建电机驱动电路工作性能不够稳定，易出现硬件上的故障，本系统使用L298N芯片驱动电机，L298N具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合小车两个二相电机的驱动要求。
2.2 超声波测速模块。本系统选用US-100超声波测距模块可实现2cm～4.5m的非接触测距功能，拥有2.4～5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。本系统的电动车超声测距系统共有2只超声波换能器（俗称探头），一只声电换能器，一只电声换能器，布置在电动车的前方仪表盘位置上。能检测出前进方向上与前方障碍物距离，通过与单片机连接的1602LCD显示器显示此距离，系统采用一片STC15F2K60S2单片机对超声波信号进行采集。速度计算算法为：轮子直径*3.14/10格码盘=6.5Cm*3.14/10约=2cm即一个脉冲走2CM距离具体程序中0.5s计算一次当前车速，count1为左轮接收到的脉冲数具体公式：（（count1*2））/0.5S=（count1*4）CM/S。车速显示选用数码管，采用两片74HC595来控制共阳极8段数码管字符显示当前车速，整数部分三位，小数部分一位，显示速度的单位为厘米每秒，在6V电压作用下实测最大速度为7.0cm/s，在5V电压作用下实测最大速度为6.0cm/s，加上负荷速度会有所降低，在实验中采用等比例放大来显示，
2.3 液晶显示模块。车距显示模块选用LCD1602。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形。这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来即可。LCD1602在显示之前对正确初始化，其读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程STC15F2K60S2来实现的。
2.4 预警模块。预警模块选用蜂鸣器，当小车离障碍物的距离预定距离时，置SPK1为低电平，蜂鸣器发出报警；当小车距离障碍物的距离预定距离时，置SPK1为高电平，蜂鸣器停止报警。当小车距离障碍物的较短距离时，蜂鸣器放出长报警。
3 系统软件设计
智能电动车安全辅助系统的控制中心是STC15F2K60S2单片机，主要对超声波测速模块采集到的信息进行处理分析，将车速实时显示在数码管上，进而发出对电机的控制命令，实现对电动车车速的控制。软件设计主要围绕测速监测和控制上。系统通过信号监测，信号处理等子功能模块，当两车（或车和物）之间的距离小于设定安全距离时，而司机没有作相应的操作（如刹车等）时小车将发出警报。但当两车（或车和物）之间的距离小于最小安全距离时，系统则自动将小车停车。两车（或车和物）之间的距离小于设定安全距离，但司机已经做出了相应的操作时，则系统会将安全距离减少，防撞系统关闭报警。但当两车（或车和物）之间的距离小于最小安全距离时，系统则自动将小车停车。当小车速度很慢或小车转弯、制动时会将前进或转弯方向的安全距离减小，以减少冗报。液晶屏上显示安全距离、现在两车相对距离。系统能发出预警。
4 结语
为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，本设计采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换等功能软件等做了详细设计。实现障碍物的距离测试、显示和报警，超声波测距范围2CM-450CM，精度在1厘米左右。
这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以用于电动车预警系统，建筑施工工地以及一些工业现场，例如：应用于工业生产、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、电动车等。
本系统研究开发的主动式电动车辅助安全装置，减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要的作用。相比一辆普通电动自行车2000-3000元的售价，本系统成本可控制在200元左右，占总体投资的10%左右。若大规模量产后可近一步压缩成本，可广泛安装在各类型的电动车上，向广大电动车驾驶员提供安全可靠的行车辅助，带来人生和财产的保障，有较好的市场应用价值和前景。
参考文献：
[1]陈桂友.单片微型计算机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2012.
[2]宏晶科技.STC15F2K60S2单片机器件手册[M].2009，.
[3]戴梅萼.微型计算机技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
作者单位：安徽理工大学计算机学院，安徽淮南 232001