一種新型的低功耗雙路移動(dòng)感應(yīng)警示電路

沈建明，張柯坤，金夢(mèng)瑤

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，汽車越來越普及，在小區(qū)轉(zhuǎn)彎處和十字路口盲區(qū)發(fā)生交通事故的概率越來越大。目前在“L”或“T”形交通路口或小區(qū)盲區(qū)樹立一面凸面鏡（也叫廣角鏡），以瞭望對(duì)面的行人和車輛運(yùn)行情況，以便及時(shí)做出反應(yīng)，減少交通事故的發(fā)生[1]。

但是凸面鏡能夠看到的角度始終有限，有些連續(xù)轉(zhuǎn)彎路口當(dāng)看到對(duì)面的車或人的時(shí)候已經(jīng)來不及做出反應(yīng)，因此本文提出了一種新型的低功耗雙路移動(dòng)感應(yīng)警示燈。主要應(yīng)用在小區(qū)轉(zhuǎn)彎處和地下車庫(kù)盲區(qū)，或者十字路口死角等地方，為了防止盲區(qū)兩邊車輛由于看不到對(duì)方而碰撞的情況。

這款警示燈產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)基本沒有應(yīng)用，而且相比凸面鏡來說成本較低，因此擁有比較好的市場(chǎng)前景。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目采用雙路紅外傳感器檢測(cè)盲區(qū)兩側(cè)的移動(dòng)物體（人或車），當(dāng)只有一側(cè)傳感器探測(cè)到移動(dòng)物體或者兩側(cè)傳感器均沒有探測(cè)到移動(dòng)物體進(jìn)入時(shí)，警示LED燈不亮；只有當(dāng)兩側(cè)紅外傳感器在各自方向都檢測(cè)到移動(dòng)物體時(shí)，兩側(cè)LED警示燈每秒閃爍兩次，并驅(qū)動(dòng)一路喇叭聲音報(bào)警；直到其中一個(gè)方向的移動(dòng)物體信號(hào)消失后延時(shí)3秒，兩側(cè)LED警示燈熄滅，喇叭關(guān)閉。探測(cè)示意圖如圖1所示。

圖1 示意圖

紅外運(yùn)動(dòng)探測(cè)器安裝在2.5~3米的高度，兩邊的檢測(cè)距離達(dá)到13米以上，考慮到一側(cè)移動(dòng)物體有可能被遮擋，兩側(cè)傳感器電路均設(shè)計(jì)了可重復(fù)觸發(fā)模式并延時(shí)3秒（即檢測(cè)到移動(dòng)信號(hào)，輸出由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒀訒r(shí)3秒；3秒內(nèi)繼續(xù)檢測(cè)到移動(dòng)信號(hào)，輸出高電平再延時(shí)3秒；3秒內(nèi)沒有檢測(cè)到移動(dòng)信號(hào)，輸出低電平，繼續(xù)等待信號(hào)）。

警示燈電路主要有主控模塊、電源模塊、傳感器模塊和燈板模塊四個(gè)部分組成，總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

2 理論分析

2.1 移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

設(shè)盲區(qū)路口的兩條道路分別為A1、A2，每條道路上各有一輛車分別以速度為v1、v2駛向路口，假設(shè)警示燈上兩個(gè)紅外移動(dòng)探測(cè)器的探測(cè)距離分別為L(zhǎng)1、L2，如圖3所示。

圖3 路口車輛運(yùn)動(dòng)分析

則從探測(cè)器探知目標(biāo)，到目標(biāo)車輛駛?cè)肼房诘臅r(shí)間為：

2.2 移動(dòng)目標(biāo)不相遇的條件

如果警示燈兩側(cè)的紅外探測(cè)器型號(hào)相同，探測(cè)距離L1=L2，而移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)速度不同，則兩個(gè)目標(biāo)在路口相遇，如表1所示，將會(huì)有以下幾種情況：

表1 移動(dòng)目標(biāo)路口相遇的幾種情況

從上述分析可以看出，在相同的預(yù)警距離下，當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的速度相差不大或者相等時(shí)，移動(dòng)目標(biāo)在路口相撞發(fā)生交通事故的概率最大。

假設(shè)警示燈的探測(cè)器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后立即發(fā)出預(yù)警，車輛駕駛?cè)嘶蛘咝腥肆⒓床扇〈胧┻M(jìn)行減速或者制動(dòng)，則移動(dòng)目標(biāo)不發(fā)生相撞的條件為：

式中，L為預(yù)警距離，t為預(yù)警時(shí)間，v為移動(dòng)目標(biāo)速度。

式（3）即為對(duì)于不同的車速和預(yù)警時(shí)間，需要紅外探測(cè)器提供的預(yù)警距離。

2.3 預(yù)警距離需求

依據(jù)前文分析，對(duì)于不同的車速和不同的預(yù)警時(shí)間，預(yù)警距離要求是不一樣的。表2所示為不同車速和預(yù)警時(shí)間下，對(duì)于預(yù)警距離要求。

表2 不同車速和預(yù)警時(shí)間下預(yù)警距離需求

從表2可以看出，預(yù)警時(shí)間越早，所需要的預(yù)警距離越大，車速越快，所需要的預(yù)警距離越大。

《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》第四十五條和四十六條，對(duì)不同情況下的機(jī)動(dòng)車最高行駛速度有明確的規(guī)定。沒有道路中心線的道路，城市道路為每小時(shí)30公里，公路為每小時(shí)40公里；同方向只有1條機(jī)動(dòng)車道的道路，城市道路為每小時(shí)50公里，公路為每小時(shí)70公里；通過鐵路道口、急彎路、窄路、窄橋時(shí)最高行駛速度不得超過每小時(shí)30公里?？梢钥闯?，在城市T字形、L形路口，一般要求車速不會(huì)超過每小時(shí)50公里，鄉(xiāng)村公路一般要求車速不會(huì)超過每小時(shí)40公里，轉(zhuǎn)彎路口多、視野不好的山間道路，一般不會(huì)超過每小時(shí)30公里。不同路況下限速要求和預(yù)警距離，如表3所示。

從表3可知，對(duì)在山區(qū)道路上行駛的車輛，提前1秒預(yù)警，所需要的預(yù)警距離為8.3米；在鄉(xiāng)村公路上行駛的車輛，提前1秒預(yù)警，所需要的預(yù)警距離為11.1米；在城市T、L形單車道行駛的車輛，提前1秒預(yù)警，所需要的預(yù)警距離為13.9米。如果需要提前2秒以上預(yù)警，所需要的預(yù)警距離會(huì)成比例增加。

表3 不同路況下預(yù)警距離需求

3 核心技術(shù)

3.1 低功耗設(shè)計(jì)

警示燈電路通過元件選型、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超低功耗。

主控芯片選用TI生產(chǎn)的超低功耗芯片MSP430F4250[2,3]，此款單片機(jī)具有休眠模式，具有超低功耗的特點(diǎn)，工作電壓為1.8～3.6V，1MHz下工作電流僅為250μA；晶振采用32.768kHz手表晶振，PCB采用低功耗設(shè)計(jì)。

電源模塊選用低功耗寬電壓線性穩(wěn)壓器HT7533，HT7533是一組CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低功耗高電壓穩(wěn)壓器CMOS技術(shù)可確保其具有低壓降和低靜態(tài)電流的特性，用到的外圍器件也很少。

軟件設(shè)計(jì)采用低功耗模式3（休眠模式）下工作，正常情況下工作電流在微安級(jí)，當(dāng)檢測(cè)到兩路信號(hào)后喚醒工作，電流達(dá)到毫安級(jí)，信號(hào)消失后繼續(xù)休眠。

3.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊選用被動(dòng)紅外探測(cè)控制芯片NCS36000和被動(dòng)紅外檢測(cè)傳感器PIR[4]的組合，NCS36000芯片是一款低功耗的混合信號(hào)處理芯片，通過調(diào)整NCS3600芯片外圍的電阻電容參數(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的低噪聲兩級(jí)放大，檢測(cè)距離可以增大一倍左右，如圖4所示。

圖4 兩級(jí)放大設(shè)計(jì)框圖

此模塊有單脈沖檢測(cè)模式和雙脈沖檢測(cè)模式以供選擇，如圖5所示，單脈沖檢測(cè)模式即當(dāng)檢測(cè)到單個(gè)脈沖（時(shí)間寬度大于48ms）就認(rèn)為有移動(dòng)信號(hào)；雙脈沖檢測(cè)模式是當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)脈沖（時(shí)間寬度大于48ms）后，5秒內(nèi)檢測(cè)到第二個(gè)脈沖（時(shí)間寬度大于48ms），才判斷有移動(dòng)信號(hào)，如果5秒內(nèi)沒有檢測(cè)到第二個(gè)脈沖，則重新檢測(cè)，這樣更加準(zhǔn)確的判定移動(dòng)信號(hào)，防止誤動(dòng)作。

圖5 信號(hào)模式選擇方式

傳感器模塊設(shè)計(jì)電路框圖如圖6所示。PIR探頭采用的是全新原裝進(jìn)口RE200B-P人體紅外熱釋電傳感器，能吸收大部分物體表面的紅外線輻射，同時(shí)輸出一個(gè)紅外線能量與溫度成比例關(guān)系的電壓信號(hào)[5]。系統(tǒng)應(yīng)用的熱釋電紅外傳感器PIR靈敏度高，反應(yīng)迅速，抗干擾性能強(qiáng)，且該傳感器本身不產(chǎn)生有害輻射，安全可靠，相比一般的高頻多普勒[6]移動(dòng)感應(yīng)傳感器，功耗更低，價(jià)格更加低廉[7]。

圖6 傳感器模塊框圖

本作品采用一種菲尼爾透鏡安裝在熱釋電傳感器PIR的窗口上，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)距離的增大，菲涅爾鏡片是紅外線探頭的“眼鏡”,它就像人的眼鏡一樣,配用得當(dāng)與否直接影響到使用的功效。配用得當(dāng)能充分發(fā)揮人體感應(yīng)的作用,使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測(cè)出10~20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)[8]。

菲涅爾透鏡的原理基于菲涅爾波帶片，菲涅爾波帶片具有類似透鏡的作用，它可以使入射光匯聚起來，產(chǎn)生極大的光強(qiáng),其成像公式如下：

式中，ρ為光源到波帶的距離，r0為透鏡中心到像點(diǎn)的距離,R為透鏡半徑，m為波帶數(shù)，λ為入射光波長(zhǎng)。

波帶片與透鏡有個(gè)重要的區(qū)別，即一個(gè)波帶片有很多焦點(diǎn)，上式給出的是它的主焦點(diǎn)，除此之外，還有一系列的次焦點(diǎn)，它們的距離分別為f/3、f/5、f/7...，在其對(duì)稱位置還有一系列虛焦點(diǎn)。

菲涅爾透鏡從外觀分類為長(zhǎng)形,方形,圓形;從功能分類為單區(qū)多段,雙區(qū)多段,多區(qū)多段，如圖7所示。

圖7 菲尼爾透鏡分類

國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者的研究數(shù)據(jù)表明[9],單區(qū)多段ML002透鏡探測(cè)距離為10m,雙區(qū)多段型8709SM透鏡探測(cè)距離為15m,多區(qū)多段型的7706和8204探測(cè)距離分別為25m和40m[10]，因此本作品采用多區(qū)多段型8204透鏡安裝到PIR傳感器上，探測(cè)距離足夠遠(yuǎn)，也能有足夠的預(yù)警時(shí)間。

圖8 (a)為安裝菲涅爾透鏡前的檢測(cè)模塊電路板，圖8(b)為安裝了菲涅爾透鏡后的檢測(cè)模塊電路板。

圖8 安裝菲涅爾透鏡前后的檢測(cè)模塊

3.3 中斷喚醒程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用IAR Embedded Workbench IDE進(jìn)行編程，當(dāng)只有一側(cè)傳感器探測(cè)到移動(dòng)物體或者兩側(cè)傳感器均沒有探測(cè)到移動(dòng)物體時(shí)，警示LED燈不亮；只有當(dāng)兩側(cè)紅外傳感器在各自方向都檢測(cè)到移動(dòng)物體時(shí)，兩側(cè)LED警示燈每秒閃爍兩次，并驅(qū)動(dòng)一路喇叭聲音報(bào)警；直到其中一個(gè)方向的移動(dòng)物體信號(hào)消失后延時(shí)3秒，兩側(cè)LED警示燈熄滅，喇叭關(guān)閉。主程序是雙路移動(dòng)檢測(cè)中斷響應(yīng)程序，考慮到一側(cè)移動(dòng)物體有可能被遮擋，兩側(cè)傳感器硬件電路均設(shè)計(jì)了可重復(fù)觸發(fā)模式并延時(shí)3秒，因此軟件設(shè)計(jì)程序也要延時(shí)3秒；因此主要軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 軟件設(shè)計(jì)流程圖

另外在使用過程中電池電量耗盡就無法檢測(cè)，因此設(shè)計(jì)了低電量檢測(cè)報(bào)警電路，通過單片機(jī)檢測(cè)電池電量，當(dāng)電池電量快要耗盡時(shí)，改變LED燈閃燈模式為交替閃燈以示報(bào)警，但不影響正常工作。低電量模式下還能使用3-4周時(shí)間，但要及時(shí)更換電池。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為取得本產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)和有關(guān)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行多次多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括測(cè)試產(chǎn)品的功耗，測(cè)量傳感器檢測(cè)距離，判斷預(yù)警的有效性等。

4.1 功耗測(cè)試

警示燈電路處于工作狀態(tài)時(shí)，測(cè)量其電路工作電流約為5.3mA，圖10所示為電流測(cè)量過程。以電路連續(xù)工作1年計(jì)算電量：

圖10 電路工作電流測(cè)試

1年電量值=5.3mA×24H×365d=46428mAH

1節(jié)金霸王1號(hào)D型堿性電池的電量為14000mAH，6節(jié)電池的電量為84000mAH，因此理論情況下電路連續(xù)工作可持續(xù)工作時(shí)間=84000÷46428=1.81年，可以看出，理論上電路連續(xù)工作將近2年，實(shí)際由于電池電量損耗等因素，可連續(xù)工作1年左右。

4.2 預(yù)警距離測(cè)試

預(yù)警距離是本產(chǎn)品最重要的一個(gè)指標(biāo)，獲得準(zhǔn)確可靠的預(yù)警距離，對(duì)于產(chǎn)品的應(yīng)用與推廣有非常重要作用。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，模擬兩組場(chǎng)景，一組場(chǎng)景是兩條道路上的移動(dòng)目標(biāo)分別是小轎車和電動(dòng)車，另一組場(chǎng)景是兩條道路上的移動(dòng)目標(biāo)均是小轎車。實(shí)驗(yàn)過程如圖11和12所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,警示燈的預(yù)警感應(yīng)范圍為15M×3M，感應(yīng)有效角度范圍為63°，有效角度30°時(shí)檢測(cè)距離最大達(dá)到14.8米，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖13所示。

圖11 預(yù)警距離測(cè)試

圖12 預(yù)警距離測(cè)量

圖13 有效角度與預(yù)警距離關(guān)系圖

經(jīng)過測(cè)試分析得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

(1)探測(cè)器安裝高度在2.5~3米的時(shí)候探測(cè)距離最大，且對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)地面上地小動(dòng)物不產(chǎn)生報(bào)警，說明感應(yīng)距離與安裝的高度有關(guān)。

(2)路口是否會(huì)相撞分為三種情況：

①兩側(cè)都是人在移動(dòng)顯然不會(huì)發(fā)生交通事故；

②一側(cè)是汽車，一側(cè)是人，由于人的移動(dòng)速度慢，看到警示后能夠及時(shí)避讓，汽車司機(jī)也會(huì)及時(shí)減速因此一般也不會(huì)發(fā)生交通事故；

③兩側(cè)都是汽車或者電瓶車時(shí)，就需要分析移動(dòng)目標(biāo)速度，在30km/h（8.3m/s）以下時(shí)，預(yù)警時(shí)間在1.8秒左右，移動(dòng)目標(biāo)速度在40km/h（11m/s）時(shí)，預(yù)警時(shí)間為1.35秒，一般能及時(shí)將車速降下來，避免事故。

移動(dòng)目標(biāo)速度在50km/h（13.8m/s）時(shí)，預(yù)警時(shí)間為1秒，反應(yīng)靈敏的司機(jī)可采取緊急制動(dòng)及時(shí)減速，如果在盲區(qū)路口車速超過50km/h就相當(dāng)危險(xiǎn)了，發(fā)生事故的概率將非常大。

4.3 雙路感應(yīng)測(cè)試

當(dāng)盲區(qū)路口兩個(gè)方向同時(shí)有移動(dòng)物體（人或車）時(shí)，可通過每秒閃燈2次對(duì)人或車進(jìn)行警示，并驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)出聲音。當(dāng)一側(cè)移動(dòng)物體信號(hào)消失后，立刻停止閃燈警示。

4.4 復(fù)雜路況測(cè)試

當(dāng)出現(xiàn)盲區(qū)路口有多輛車或多人經(jīng)過的復(fù)雜路況時(shí)，即兩路傳感器在5秒內(nèi)接受到3個(gè)以上的信號(hào)，警示燈采取快閃（每秒4次）的方式告知兩邊路口都要減速慢行，注意避讓。

5 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)供電電壓：DC 9V（6節(jié)1號(hào)D型堿性電池串聯(lián)）。

(2)工作電壓：DC 3.3V。

(3)電路板尺寸：主控板<9cm×3cm，傳感器<3cm×2cm，燈板<7cm×2cm。

(4)感應(yīng)范圍：(L × H)15m ×3m。

(5)探測(cè)角度范圍：63° (墻面或柱子安裝) ，如圖13所示。

(6)單塊燈板功率：<0.02w。

(7)工作靜態(tài)電流：20μA。

(8)工作動(dòng)態(tài)電流：5.3mA。

(9)工作溫度：-20℃-70℃。

(10)燈閃頻率：每秒2次，快慢可由程序控制。

(11)作品成本：<15元。

6 技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)勢(shì)

6.1 技術(shù)創(chuàng)新

(1)低功耗設(shè)計(jì)：電源模塊和控制部分都能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗設(shè)計(jì)，用6節(jié)1號(hào)D型堿性電池供電的話連續(xù)工作可以用上1年左右，正常情況不工作處于休眠狀態(tài)。

(2)檢測(cè)距離遠(yuǎn)：主要考慮到汽車速度比較快，因此傳感器模塊采用低噪聲兩級(jí)放大混合信號(hào)處理芯片控制，在配合多區(qū)多段菲尼爾透鏡，檢測(cè)距離要達(dá)到13米以上穩(wěn)定可靠。

(3)低電量檢測(cè)：當(dāng)電池快耗盡時(shí)，通過單片機(jī)檢測(cè)電壓實(shí)現(xiàn)程序控制改變閃燈模式告知，以便及時(shí)更換電池。

(4)低成本設(shè)計(jì)：傳感器模塊和控制模塊都采用同一電源模塊3.3V供電，減少電路器件和PCB面積，減少成本。

6.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)安裝簡(jiǎn)便。無需外接電源，無需鋪設(shè)線路。

(2)綠色環(huán)保。不含有害物質(zhì)，不排放污染物。

(3)警示效果好。LED采用臺(tái)灣晶元芯片，亮度高，警示效果好，光衰減慢。

(4)性能穩(wěn)定。采用MSP430超低功耗單片機(jī)控制，保護(hù)電路齊全，功能穩(wěn)定可靠。

(5)使用壽命長(zhǎng)。LED使用壽命≥100000小時(shí)，電路板使用壽命15年。

(6)堅(jiān)固耐用。鋁型材外殼和PC外殼相結(jié)合，抗沖擊，抗老化，耐腐蝕，鋁外框固定，裝置防水防塵達(dá)到IP56。

7 后期改進(jìn)

由于低功耗雙路移動(dòng)感應(yīng)燈是采用電池供電的，等電池耗盡前需要更換電池，因此后期我們?cè)黾犹柲艹潆姷姆绞揭詼p少更換電池，讓電路工作的更持久。