基于STC89C52单片机的公交车乘客下车安全检测系统设计

2015-12-28童向亚郑书河福建农林大学机电工程学院福建福州350002

绥化学院学报 2015年9期

童向亚朱舟郑书河（福建农林大学机电工程学院福建福州 350002）

童向亚朱舟郑书河
（福建农林大学机电工程学院福建福州 350002）

针对公交车停靠站牌时，时常与人行道台阶之间保留大于600mm的间隙，乘客下车后存在被间隙内快速行驶的电动车辆撞倒的安全隐患问题，文章设计了一种基于STC89C52单片机的公交车乘客下车安全检测系统。该系统以空气中超声波传播速度为确定条件，利用时差法测量间隙内电动车辆的速度以及相对下车乘客的距离，并对具有危险的电动车辆进行识别和车内外报警。在Proteus软件环境下进行了检测系统的模拟仿真，并进一步制作和调试运行系统样机，验证了该检测系统的可行性。

公交车；乘客；电动车辆；单片机

每年交通事故引发原因和事故类型统计表明，公交车在停靠公交站牌附近时，与电动车辆之间的交通事故发生频率较高。事故产生的原因多集中在乘客上下车时，尤其集中在每天的上下班高峰期，由于电动车辆并未察觉到突然下车的乘客，且乘客未观察到公交车内侧高速行驶过来的电动车辆，造成了下车乘客与电动车辆的冲撞，加剧了上下班高峰期的交通拥挤，为此发生很多不该发生的人员伤亡和财产损

失［1-3］。

为了改变现有公交车乘客下车安全现状，减少下车乘客与电动车辆的冲撞事故发生，提高公交车整体安全性能，弥补目前针对公交车乘客下车安全的检测装置的不足，以及其他类似检测报警产品不具备较好的适应性和针对性，报警和检测的发法和范围存在差异性［4-5］，本文设计了一种基于STC89C52单片机的公交车乘客下车安全检测系统，该系统可检测出对乘客具有危险的电动车辆，并进行车内外警示，且整体结构紧凑而简单，在最大限度上减少了因视线遮挡导致的乘客与电动车之间的事故发生。

一、系统硬件设计与实现

公交车乘客下车安全检测系统中以STC89C52单片机作为主控制器，系统整体硬件可分为主控模块、电源模块、检测模块、显示模块、按键模块以及报警模块。硬件系统框图、各模块在公交车内分布情况以及总体电路原理图，如图1、2 和3所示。系统工作原理如下：系统使用前须通过按键模块进行参数的选定和系统的开启。在车外，公交车检测模块定时发出超声波，单片机控制器通过计算检测设备接收和发送的时间差计算电动车辆的距离，并通过瞬间多次发射和接收超声波信号计算车辆行驶速度，通过与初始设定参数值进行比较，得到危险的车速和车距，并及时传递信号到显示模块和报警模块，显示存在的实时速度和距离并及时进行语音播报；在车内当有乘客突然下车时，会及时触发红外接近传感器，使其向单片机发送断电信号，此时单片机将发送信号使得车外警示灯闪烁，提醒车外电动车辆。

图1 系统硬件框图

图2 各执行模块分布位置

图3 总体电路原理图

（一）主控模块。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案［6-7］。以该单片机最小系统为控制核心，电源电路、时钟电路、复位电路、速度显示电路、按键电路、报警电路、HC-SR04超声波电路以及红外接近电路等组成，单片机各接口分配情况如图3所示。

（二）电源模块。电源模块包括电源转换部分和太阳能供电组件。电源转换部分可将蓄电池中的24V电源转化为单片机、报警模块、以及检测模块所需的5V电源；太阳能供电组件由单晶硅太阳能电池组件、太阳能电池控制器以及蓄电池组成，通过实现太阳能和电能的转换，为系统进行供电，如图4所示。

图4 电源模块原理图

（三）检测模块。检测模块由车外超声波测距模块和车内红外避障模块构成，采用型号为HC-SR04的超声波距离传感器，模块整体分为超声波发射和接收两部分，超声波发射部分可产生8个40KHZ的方波信号［8］。由单片机控制超声波发射部分发射出超声波信号，并及时接收和处理信号。通过单片机对其发送和接收信号进行处理，识别车外具有危险的电动车辆。车外红外避障模块主要通过用红外接近传感器识别突然下车的乘客，使得车外下车警示灯闪烁提示急速行驶的车辆及时减速慢行。超声波测距模块和红外避障模块与单片机的具体接口情况，如图3所示。

（四）报警模块。报警模块由车内语音报警器以及车外报警灯组成，通过将检测模块测量的车速信号送入单片机控制器中进行处理，并与单片机内部设定初始值相比较。如果超过了初始设定的最大值则可判断电动车辆的行驶速度较快，且有碰撞的危险，然后通过单片机触发语音报警器发出语音播报提示。语音报警器采用ISD1700语音芯片，它是一种高集成、高性能的芯片，可在系统试用前先录好报警语音［9］。其MISO、MOSI、SCLK和SS端口分别与单片机的P2.0～P2.3接口相连接，如图3所示。

（五）按键和显示模块。按键模块主要实现检测系统开关控制和以及对检测来往电动车辆参考速度初始数值设定。按键电路由四个开关加上拉电阻构成［10］，按键K1、K2、K3、K4分别对应设置键、加键、减键和开始或关闭检测键。电路原理图中按键模块的接口分别与单片机的引脚的P1.4、P1.5、P1.6 和P1.7相接。显示模块在测试样机中采用了较为廉价和简单的LCD1602，通过与单片机读写数据显示车外电动车辆的行驶速度值和相对下车乘客的距离，其中RS、RW和E接口分别与单片机P1.0～P1.2相接，D0～D7为8位双向数据线，分别与单片机的P0.0～P0.7口相连。

二、系统软件设计与实现

（一）报警模块程序。当电源键按下，系统外部中断、定时器以及串口等均初始化，这时候超声波检测模块和红外避障模块开始工作，超声波模块不断把测得的数据传送到STC89C52单片机中，计算并判断是否超速或者距离是否很近，否则将继续判断直到是为止；同时红外接线传感器时刻等待触发，若触发则单片机将发送报警信号，否则将继续等待。当超速时候调用程序中的报警处理子程序，由串口发送信号到报警指示灯和语音报警芯片，执行相应响应程序。状态灯由绿色变成红色不断闪烁，并且播放语音报警中事先录好的声音，流程如图5所示。

图5 报警程序流程图

（二）超声波检测程序。系统中超声波检测采用时差法测速，如图6所示，检测一次的基本流程如下：对单片机进行初始化后，调用发射子程序产生两个周期方波发射出去，同时启动定时器0开始计时，直到接收器接收到反射方波时定时器0停止工作，将测得数据计算放入储存器里面，然后计算并显示出第一次实时距离。此时启动定时器1，当下一个上升沿到来时，定时器1停止计时进入外部中断，同理再发射一次超声波信号，同样根据上述方法得到一个距离，放入储存器。最后调用储存器里面这两个距离值相减，除以利用定时器1记录的时间，进而求出驶来电动车辆的运动速度并显示出来。

图6 超声波检测程序流程图

三、系统仿真与样机调试

（一）系统仿真。由于样机中的某些元器件在protus环境下仿真较为复杂或者仿真效果不显著，因此，对系统仿真硬件采取一些简化。超声波发射器在Proteus元件库中难以找到，且超声波难以通过仿真得出检测，因此采用示波器进行替代，分别用两条频率不一样的声波，来代替同一条声波发射两次的效果。为了进一步简化系统仿真，将蜂鸣器报警代替样机中的语音芯片ISD1700报警，由于超声波检测模块相对红外避障检测模块两者硬件较为独立，以超声波检测模块为例进行系统仿真示例。

图7 超声波检测仿真硬件图

由图7所示，该仿真系统包括STC89C52单片机最小系统、示波器、蜂鸣器以及LCD1602显示屏等。当示波器发射两条频率不一样的波形，可得到相应的速度且在显示在液晶屏上。通过调节电位键，改变电压大小，来改变示波器的波形的频率，显示屏上的速度值发生改变。

图8 系统仿真效果图

如图8所示，当速度小于设定值50m/s时报警电路上面的R33电阻左端的红点显示为粉红色，并且LCD显示屏显示当前的速度，蜂鸣器未发出声音。如图9所示，当速度大于设定值50m/s时报警电路上面的R33电阻前面的红点变为蓝色，并且LCD显示屏显示当前的速度，蜂鸣器发出滴滴嘟嘟的报警声。

图9 超速时仿真效果图

（二）样机调试。采用4个1.5V的5号电池代替太阳能供电模块进行简单样机制作，如下图10所示，并进行实际检测效果的实验调试，调试结果表明：当有超过设定速度值的移动物体经过，该检测系统基本能及时进行系统语音警示，响应速度较快，检测灵敏度较好，在公交车乘客下车安全检测中具有一定的实际应用价值。

图10 调试样机

四、结语

本系统采用STC89C52单片机控制的方式实现了公交车乘客下车简易的检测、语音播报、速度和距离实时显示功能，达到了警示后方驶来的电动车注意减速和避让突然下车乘客的目的，完成了公交车乘客下车安全检测系统的智能化设计。通过模拟仿真和系统样机调试，验证了该检测方法和样机性能的稳定性和可靠性，且系统整体具有电路简单、功耗低和操作简单等特点，具有一定的实用价值和应用前景。

［1］陈永忠.快速路公交运营交通安全研究［D］.重庆交通大学，2012.

［2］刘玲.摩托车与公交车共享专用道安全管理研究［D］.西南交通大学，2012.

［3］任保宽.城市公交客车安全技术要求及性能检测研究［D］.长安大学，2013.

［4］韩昆.车载的占用公交车道电子警察系统的研究与实现［D］.重庆大学，2013.

［5］丁建梅，王常虹，蒋贤才.基于上游出口检测的公交优先信号控制［J］.吉林大学学报（工学版），2009（S2）.

［6］王宝刚，李东洁.基于STC89C52的水温自动控制系统设计［J］.制造业自动化，2012（18）.

［7］陈立彬，刘刚.于STC89C52的电动机转速测量系统设计［J］.微特电机，2011（8）：75-76.

［8］唐阳山，杨培菲，邱瑞，等.基于AT89S52汽车倒车防撞预警系统的设计［J］.辽宁工业大学学报（自然科学版），2013（6）.

［9］曾婷，万星宇.ISD1700系列语音芯片原理与应用设计［J］.价值工程，2011（23）.

［10］居水荣，陆建恩，张海磊.几种应用于触摸感应电路的ESD保护结构设计［J］.半导体技术，2014（4）.

［责任编辑郑丽娟］

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