電動自行車避碰預警及制動系統的設計研究

鄭麗彬+陳林+王化明+李莉莉

摘要：本文對目前汽車上碰撞預警以及主動制動功能的深入分析與研究，針對現有電動自行車在該功能上的研究空白，根據電動自行車自身的特性運用通訊技術、控制技術和交通流理論，提出一種基于超聲波測距和單片機控制的電動自行車碰撞預警及主動制動系統設計方案。通過運用超聲波測距原理，聲光報警原理以及STC12C5A60S2單片機，設計聲光報警和主動制動模塊，實現電動自行車碰撞預警及主動制動的功能。本文研究在降低電動自行車的交通事故發生率，減少人民的財產損失，保障人民的安全出行等方面具有重要現實意義。

關鍵詞：電動自行車；超聲波測距；STC12C5A60S2單片機；聲光報警；主動制動

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0150-02

1 引言

隨著“綠色出行，健康成長”環保出行理念的深入人心以及城市擁堵問題的日益嚴峻，越來越多的人選擇騎電動自行車出行。雖然騎車對人的舒適感造成影響，但它的方便、快捷等諸多優點使得電動自行車是交通市場增長最快的領域之一，2012年總銷售量超過3100萬輛[1]。中國是世界上電動自行車銷售量最高的國家，據報道它在中國的保有量已經超過了兩億輛.荷蘭，德國緊隨其后。

一方面，電動自行車給人們的生活交通帶來極大的便捷；另一方面，它也存在的巨大的安全隱患。據浙江法制報報道： 2016 年，全省共發生上報道路交通事故14788起，死亡4187人，受傷14366人，直接經濟損失6039.6萬元。除了開車看手機、沒有與前車保持安全距離、未按規定戴安全頭盔、不按規定使用燈光、遇危險情況操作不當、注意力不集中等原因，缺乏現代先進的智能避碰預警及主動制動系統也是導致交通事故頻發的重要原因[2]。要想有效降低機動車交通事故的發生率，一方面政府要加強執法，另一方面實現電動自行車的智能避碰預警和制動也是解決措施之一。

2014年，雅迪發布的新概念智能電動車具有GPS 定位信息、遠程報警、GPRS 通訊等功能。與此同時綠源電動自行車的“綠動網”技術，創新 GPS（全球定位系統）技術在整車上的應用，具有智能跨平臺監控、云端信息存儲、全球定位防盜、實時車況檢測功能的智能化技術。2015年，比德文電動自行車搭載的i-EV智慧車互聯系統不僅可以隨時進行車輛位置查詢，還能遠程控制、一鍵鎖電機。同年，新日推出全球第一款互聯網智能并量產的電動自行車——動自行車—系列，包括：E-cpu 智能操控芯片、CTF 智能芯片防盜、UCP 智能手機解鎖、STF 智能故障掃描等多達 20 項的高端智能化技術[3]。

從上述關于電動自行車智能化的研究進展可以看出，電動自行車的智能化研究越來越被重視。然而，不難發現，在這些研究當中都沒有對電動自行車的避碰預警及主動制動系統的研究，這是電動自行車研究的空白點。如圖1所示。

2 系統總體設計

為實現電動自行車具備智能避碰預警和主動制動功能，本文提出如下系統設計思路：首先由超聲波傳感器向前發射超聲波，并同時開始計時。當超聲波向正前方傳播時，如果遇到障礙物超聲波則會反方向回轉。這樣超聲波探頭就能接收到從障礙物反射回來的信號，與此同時計時結束。根據路程=時間*速度，計算出障礙物與超聲波探頭的距離。單片機將此距離與事先設定的第一個閾值（距離最小值）進行比較，當此距離小于閾值時，則給聲光預警模塊傳輸信號，此時聲光預警模塊啟動。當測量距離小于第二閾值（制動值）時，單片機分別傳輸信號給聲光預警和制動模塊，通過控制輸出電壓，使電動自行車安全停止。本文提出的智能避碰預警和主動制動系統的整體設計框圖如圖2所示。

3 系統硬件模塊設計

3.1 核心控制器選擇

本系統需要不間斷的檢測前方路況，測量車輛與障礙物之間的距離。STC12C5A60S2單片機由于相對于傳統51單片機更快的處理速度[4]，且該型號單片機程序下載方便、價格便宜的優點，因此在本系統中應用將具有良好的性價比。

3.2 超聲波測距模塊

與激光、紅外以及無線電等非接觸測距方法相比，超聲波測距縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強，可以直接測量近距離目標，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響。此外，超聲波測距裝置具有結構簡單、成本低，覆蓋面較大等優點[5～6]。本系統選用非接觸式距離測量模塊HC-SR04，測距精度可高達到3mm[7]。該模塊包括超聲波發射器、接收器以及控制電路。

3.3 聲光預警模塊

該模塊由蜂鳴器與四個紅LED小燈組成，分別安放在電動自行車的前端和后端。當測距值小于閾值時，單片機通過信號線傳輸信號給蜂鳴器和小燈組。若駕駛員在預警下沒有采取剎車措施，蜂鳴器的聲音以及小燈組的亮度會發生明顯變化，以引起駕駛員和周圍人群的注意。這種設計是為了防止駕駛員由于身體原因造成不能剎車而產生的交通事故。

3.4 主動制動模塊

電動自行車剎車的原理是當電動自行車內的控制器檢測到剎車把手的信號時斷開電機的供電。本文.以此作為設計主動制動模塊的思路：主動制動模塊工作時，單片機產生類似剎車時剎把產生的信號，并將此信號通過單片機I/O端傳送到控制器中。當控制器接收到此信號后立即切斷電機的供電，以此可實現電動自行車主動制動的功能。

4 軟件設計

本系統中軟件部分采用經典的高級計算C語言進行編程。該程序語言適用性強，可在各類計算機上應用，而且一個語句相當于多條計算機指令，且容易理解，人機交互性好，具有很強的移植性[8]。本系統的軟件部分包括主程序、初始子程序、超聲波測距程序、報警程序以及制動程序。主程序開始執行時，首先對各器件進行初始化操作，接著對定時器T1進行中斷設置。在while循環中調用超聲波測距程序，使它能夠不斷的測距，并將測距不斷與閾值相比較。若測出的距離小于闕值，則系統進入中斷服務程序。在中斷服務程序中，系統將調用報警程序以及制動程序。endprint

5 結語

本文通過對電動自行車發展過程中，在安全性方面存在嚴重不足這一客觀現實，從電動自行車在避碰預警以及主動制動這一關鍵技術方面出發，提出了一種電動自行車碰撞預警以及主動制動系統的設計思路，并對系統各個部分的硬件選型及軟件工作原理進行了詳細的說明。本文所采用的模塊安全高效、價格經濟實惠，渴望為將來新型電動自行車的研發制造提供有益參考。

參考文獻

[1]秦維.電動自行車交通發展的主要趨勢-近十年文獻綜述.Transport Reviews，2016，（36）.

[2]李玲，方帆.去年我省日均11.4人因交通事故死亡[N].浙江法制報，2017-1-12（008）.

[3]黃曉東，許豐等.電動自行車智能化發展與未來[J].國家電動車及電池產品質量監督檢驗中心（CEVT）.

[4]王國軍，邱成軍.超聲波測距傳感器的研究[D].黑龍江：黑龍江大學電子工程學院，2014：3-4.

[5]謝元成，徐明勇.超聲波測距儀的設計[J].硅谷，2013，32，（36）：36.

[6]張體榮，陳勝權，等.高精度超聲波測距儀的設計[J].桂林航空工業高等專科學校校報，2008，（3）.

[7]隋濤，朱威強，等.基于MSP430的智能車主動安全系統設計[J].自動化與儀器儀表，2016（12）.

[8]譚浩強.C程序設計（第三版）[M].北京：清華大學出版社，2005：1-3.

Abstract：This paper analyses and studies the current vehicle collision warning and active braking functions. Considering the existing functional blank of electric bicycle and the characteristics of electric bicycle， this paper puts forward a method based on ultrasonic distance measurement with single chip microcomputer controlling the system of electric bicycle collision warning and active braking， which also uses the technology of communication and control and theory of traffic flow. By applying the principle of ultrasonic distance measurement and sound and light alarm and STC12C5A60S2， the module of sound and light alarm and active braking can realize the function of electric bicycle collision warning and active braking with single chip microcomputer. To reduce the electric bicycle accidents and the damage to peoples property， the design of this essay is of great significance for ensuring safe travel.

Key Words：Electric bicycle；Ultrasonic distance measurement；STC12C5A60S2；Sound and light alarm；Active brakingendprint