單片機在智能控制系統設計中的應用

91550部隊 邵翔宇 胡國欣

隨著國內汽車數量的增加，因超速引起的交通事故越來越多，減速帶作為一種限速效果較為明顯且投資較小的交通安全設施，在很多地區被大量使用。但減速帶“濫用”、損害汽車、噪音等都是當前應用中存在的問題。本文設計了一種基于AVR單片機的智能減速帶控制系統，通過載重量來判斷車輛類型，結合車輛速度判斷確定是否為危險速度，繼而控制減速帶升降。經過室內外模擬測試后得出：系統能對超速超重車輛進行速度限制，又能使絕大多數未超速的汽車實現無害通過，對未來進一步優化減速帶功能具有一定意義。

隨著時代進步，近年來我國汽車保有量大幅增加,而超速駕駛正是交通事故的主要原因，減速帶是一種限速效果較為明顯且投資較小的交通安全設施。但目前多數減速帶仍存在設置隨意、未搭配其他標識、高峰期道路堵塞等問題，因此新型減速帶的設計刻不容緩。

劉金等人設計了一種安裝有減震軸的減速帶，減震軸減輕車輛的震動幅度，減少慢行車輛的零部件損傷，保護了車輛安全。近年來，隨著電子技術的發展，基于測試技術的獎罰式智能減速帶和基于自適應理論的可升降減速帶開始應用。當前設計的可升降智能減速帶，都考慮到依據車速調整減速帶高度，但是都未考慮區分車型分類限速，也未考慮不同時段車輛速度的限制措施。

在充分借鑒現有智能減速帶測速功能的基礎上，設計一種基于AVR ATmega64單片機的自適應智能減速帶控制系統，運用車速傳感器和重量傳感器技術，增加了車重車型檢測部分，采集通行車輛的速度、重量等信息，設計合理速度控制方案。當車速在安全范圍內，不易引起交通事故時，驅動電機使得減速帶降低，使得車輛正常無障礙通過；反之，當車速在過快時或存在交通事故隱患時，驅動電機使得減速帶升高。

1 系統設計

系統硬件主要包含單片機、雷達測速、重量傳感器和繼電器等部分組成，如圖1所示，主要完成車輛速度判斷、車型識別、升降電機控制等功能。在車輛到來時，通過重量傳感器測得車輛重量、判斷車型，結合車輛的速度及加減速狀態，確定減速帶升降，控制繼電器吸合，操作升降電機上升或下降。

圖1 智能減速帶控制系統構成

考慮到單一頻率多普勒雷達測速方案只具有測速功能不具有測距功能，激光、視頻等測距方案，在大霧、雨雪天氣精度易受影響，所以本系統選用雷達測速方案，器件采用基于調頻連續波（FM Continuous Wave,FMCW）體制24GHz雷達。

1.1 系統硬件設計

系統硬件電路設計主要采用Altium Designer軟件進行電路原理圖設計和電路板設計。由單片機及外圍電路、串口電路、電源電路、電壓測量電路、繼電器及控制電路等組成。

（1）單片機電路設計

單片機是系統的核心部分，其功能是完成車輛數據處理和減速帶電機升降的決策。如圖2所示，石英晶體振蕩器X1及電容C28和C30構成并聯振蕩電路，選擇22pF貼片電容。Atmega64單片機的PB0、PB1、PB2、PB3、PB4用于控制繼電器通斷，PE0、PE1、PD2、PD3配置用于串口通信，PF0、PF1配置成模擬信號輸入并啟用ADC功能用于測量電壓，AVCC、AGND、AREF分別為模擬電源、模擬地以及模擬參考電壓基準。

圖2 單片機電路

（2）串口電路

ATmage64單片機的串行口電平為5V TTL電平，所以必須先進行電平變換。本系統采用MAXIM公司生產的MAX232進行電平變換，其電路如圖3所示。J4用于同計算機通信，用于控制系統工作狀態；J5用于同測速模塊進行通信，設計中可以連接RS232串口線或串口無線通信模塊。

圖3 串口電平轉換接口電路

（3）電源電路

由于外部供電與電路板單片機及其他元器件所需電壓并不完全相同，為保證系統的正常工作，需要設計電源電路進行電壓轉換。如圖4所示，U5是LM2596-5.0開關電源芯片，它能將12V直流電源變換成5.0V輸出，為系統供電。D4、L3、C9、C8構成LM22596-5.0的外圍電路，其中D4為快恢復肖特基二極管。

圖4 電源降壓電路

（4）電壓測量電路

重量傳感器輸出的電壓范圍與單片機ADC的輸入范圍并不匹配，需要通過集成運算放大器進行電壓變換，如圖5所示。電路采用Agilent公司HCNR200線性光耦元件作為隔離器件，隔離傳感器和主板電源不同造成的高壓損害和信號干擾。

圖5 電壓測量隔離電路

（5）繼電器控制電路

如圖6所示，圖中U10是四路光耦PS2801-4，將單片機輸出5V電壓轉換為繼電器所需12V電壓，并起隔離電壓作用。電器標號KG1、KG2、KG3、KG4分別接到單片機的PB0、PB1、PB2、PB3。光耦的輸出端JDQ1-4分別用于控制繼電器1、2，繼電器3、4，繼電器5、6，繼電器7、8。繼電器采用HHC67E，其控制電壓為12V，直流30V通斷電流30A，開關次數超過100000次。圖7中的Q1、R100、R101、JDQ1和Q2、R102、R103、JDQ2組成兩組開關電路。

圖6 繼電器控制光耦電路

圖7 繼電器驅動電路

當單片機PB0輸出0V低電平時，驅動光耦PS2801使得JDQ1電壓為12V高，三極管Q1、Q2導通，繼電器1-2吸合，電機轉動使得減速帶下降。反之主控板單片機控制PB3輸出低電平，繼電器5-6吸合，電機轉動使得減速帶上升。

1.2 系統軟件設計

軟件采用Atmel公司AVR Studio 4軟件及ICE仿真器進行軟件開發，軟件集成開發環境。程序的主要工作流程如圖8所示，大致是：（1）開機后單片機進行初始化，配置串口、定時器、ADC和相關端口，使得減速帶上升電機工作，將減速帶調整至高位置。（2）當收到關閉減速帶智能控制后，判斷減速帶現狀，若處于高位置則降低減速帶高度，反之則保持原裝，使得道路通暢。（3）在開啟減速帶智能控制時，主控板監測測速主板發送的距離觸發信號，當收到信號后，采集車輛重量信息判斷車型，會向測速主板發送車速請求，接收測速主板發送的實時速度。（4）主控程序結合車型和車速判斷速度是否處于安全狀態，車速安全則使得減速帶處于低位置，反之則使得減速帶處于高位置。

圖8 系統軟件流程圖

2 系統測試

根據智能基于單片機的智能減速帶控制系統設計要求，對設計的軟硬件進行測試。測試主要分為室內模擬測試和室外模擬測試組成。

室外測速即在室外仿真應用的場景，用于檢驗系統的主要功能。選取某小區周邊單行道用于仿真測試，小型車為小轎車和面包車，大型車為中巴車。車型和車速界定值同室內測試，表1為測試用例。

表1 測試用例

通過室外測試，發現在小型車速小于12km/h時，下降減速帶繼電器吸合；當小型車速大于12km/h時，上升減速帶繼電器吸合。發現在大型車速小于6km/h時，下降減速帶繼電器吸合；當大型車速大于6km/h時，上升減速帶繼電器吸合。更改車型和車速界定后，系統功能正常。

對測速傳感器和測重傳感器測量結果進行驗證，發現測量結果誤差滿足測量要求?；谠撓到y的智能減速帶，既能對超速超重車輛進行速度限制，又能使絕大多數未超速的汽車實現無害通過。

結論：針對現有減速帶應用中存在的問題，本文設計一種自適應智能減速帶控制系統，采集通行車輛的速度、重量信息，設計合理速度控制方案，使得當車速安全時，驅動電機使得減速帶降低；反之，驅動電機使得減速帶升高，限制車輛速度?；谠撓到y的智能減速帶，既能對超速超重車輛進行速度限制，又能使絕大多數未超速的汽車實現無害通過，從而降低對未超速的車輛的損害，減少環境噪聲，提高公路的通行效率，對減速帶的控制應用有實用價值。后續將繼續探索更為準確高效的車型識別方法，如計算機智能圖像識別、車牌牌號識別等方案，使得車型識別更為準確。