电动自行车避碰预警及制动系统的设计研究

郑丽彬+陈林+王化明+李莉莉

摘要：本文对目前汽车上碰撞预警以及主动制动功能的深入分析与研究，针对现有电动自行车在该功能上的研究空白，根据电动自行车自身的特性运用通讯技术、控制技术和交通流理论，提出一种基于超声波测距和单片机控制的电动自行车碰撞预警及主动制动系统设计方案。通过运用超声波测距原理，声光报警原理以及STC12C5A60S2单片机，设计声光报警和主动制动模块，实现电动自行车碰撞预警及主动制动的功能。本文研究在降低電动自行车的交通事故发生率，减少人民的财产损失，保障人民的安全出行等方面具有重要现实意义。

关键词：电动自行车；超声波测距；STC12C5A60S2单片机；声光报警；主动制动

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0150-02

1 引言

随着“绿色出行，健康成长”环保出行理念的深入人心以及城市拥堵问题的日益严峻，越来越多的人选择骑电动自行车出行。虽然骑车对人的舒适感造成影响，但它的方便、快捷等诸多优点使得电动自行车是交通市场增长最快的领域之一，2012年总销售量超过3100万辆[1]。中国是世界上电动自行车销售量最高的国家，据报道它在中国的保有量已经超过了两亿辆.荷兰，德国紧随其后。

一方面，电动自行车给人们的生活交通带来极大的便捷；另一方面，它也存在的巨大的安全隐患。据浙江法制报报道： 2016 年，全省共发生上报道路交通事故14788起，死亡4187人，受伤14366人，直接经济损失6039.6万元。除了开车看手机、没有与前车保持安全距离、未按规定戴安全头盔、不按规定使用灯光、遇危险情况操作不当、注意力不集中等原因，缺乏现代先进的智能避碰预警及主动制动系统也是导致交通事故频发的重要原因[2]。要想有效降低机动车交通事故的发生率，一方面政府要加强执法，另一方面实现电动自行车的智能避碰预警和制动也是解决措施之一。

2014年，雅迪发布的新概念智能电动车具有GPS 定位信息、远程报警、GPRS 通讯等功能。与此同时绿源电动自行车的“绿动网”技术，创新 GPS（全球定位系统）技术在整车上的应用，具有智能跨平台监控、云端信息存储、全球定位防盗、实时车况检测功能的智能化技术。2015年，比德文电动自行车搭载的i-EV智慧车互联系统不仅可以随时进行车辆位置查询，还能远程控制、一键锁电机。同年，新日推出全球第一款互联网智能并量产的电动自行车——动自行车—系列，包括：E-cpu 智能操控芯片、CTF 智能芯片防盗、UCP 智能手机解锁、STF 智能故障扫描等多达 20 项的高端智能化技术[3]。

从上述关于电动自行车智能化的研究进展可以看出，电动自行车的智能化研究越来越被重视。然而，不难发现，在这些研究当中都没有对电动自行车的避碰预警及主动制动系统的研究，这是电动自行车研究的空白点。如图1所示。

2 系统总体设计

为实现电动自行车具备智能避碰预警和主动制动功能，本文提出如下系统设计思路：首先由超声波传感器向前发射超声波，并同时开始计时。当超声波向正前方传播时，如果遇到障碍物超声波则会反方向回转。这样超声波探头就能接收到从障碍物反射回来的信号，与此同时计时结束。根据路程=时间*速度，计算出障碍物与超声波探头的距离。单片机将此距离与事先设定的第一个阈值（距离最小值）进行比较，当此距离小于阈值时，则给声光预警模块传输信号，此时声光预警模块启动。当测量距离小于第二阈值（制动值）时，单片机分别传输信号给声光预警和制动模块，通过控制输出电压，使电动自行车安全停止。本文提出的智能避碰预警和主动制动系统的整体设计框图如图2所示。

3 系统硬件模块设计

3.1 核心控制器选择

本系统需要不间断的检测前方路况，测量车辆与障碍物之间的距离。STC12C5A60S2单片机由于相对于传统51单片机更快的处理速度[4]，且该型号单片机程序下载方便、价格便宜的优点，因此在本系统中应用将具有良好的性价比。

3.2 超声波测距模块

与激光、红外以及无线电等非接触测距方法相比，超声波测距纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，可以直接测量近距离目标，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响。此外，超声波测距装置具有结构简单、成本低，覆盖面较大等优点[5～6]。本系统选用非接触式距离测量模块HC-SR04，测距精度可高达到3mm[7]。该模块包括超声波发射器、接收器以及控制电路。

3.3 声光预警模块

该模块由蜂鸣器与四个红LED小灯组成，分别安放在电动自行车的前端和后端。当测距值小于阈值时，单片机通过信号线传输信号给蜂鸣器和小灯组。若驾驶员在预警下没有采取刹车措施，蜂鸣器的声音以及小灯组的亮度会发生明显变化，以引起驾驶员和周围人群的注意。这种设计是为了防止驾驶员由于身体原因造成不能刹车而产生的交通事故。

3.4 主动制动模块

电动自行车刹车的原理是当电动自行车内的控制器检测到刹车把手的信号时断开电机的供电。本文.以此作为设计主动制动模块的思路：主动制动模块工作时，单片机产生类似刹车时刹把产生的信号，并将此信号通过单片机I/O端传送到控制器中。当控制器接收到此信号后立即切断电机的供电，以此可实现电动自行车主动制动的功能。

4 软件设计

本系统中软件部分采用经典的高级计算C语言进行编程。该程序语言适用性强，可在各类计算机上应用，而且一个语句相当于多条计算机指令，且容易理解，人机交互性好，具有很强的移植性[8]。本系统的软件部分包括主程序、初始子程序、超声波测距程序、报警程序以及制动程序。主程序开始执行时，首先对各器件进行初始化操作，接着对定时器T1进行中断设置。在while循环中调用超声波测距程序，使它能够不断的测距，并将测距不断与阈值相比较。若测出的距离小于阙值，则系统进入中断服务程序。在中断服务程序中，系统将调用报警程序以及制动程序。endprint

5 结语

本文通过对电动自行车发展过程中，在安全性方面存在严重不足这一客观现实，从电动自行车在避碰预警以及主动制动这一关键技术方面出发，提出了一种电动自行车碰撞预警以及主动制动系统的设计思路，并对系统各个部分的硬件选型及软件工作原理进行了详细的说明。本文所采用的模块安全高效、价格经济实惠，渴望为将来新型电动自行车的研发制造提供有益参考。

参考文献

[1]秦维.电动自行车交通发展的主要趋势-近十年文献综述.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].浙江法制报，2017-1-12（008）.

[3]黄晓东，许丰等.电动自行车智能化发展与未来[J].国家电动车及电池产品质量监督检验中心（CEVT）.

[4]王国军，邱成军.超声波测距传感器的研究[D].黑龙江：黑龙江大学电子工程学院，2014：3-4.

[5]谢元成，徐明勇.超声波测距仪的設计[J].硅谷，2013，32，（36）：36.

[6]张体荣，陈胜权，等.高精度超声波测距仪的设计[J].桂林航空工业高等专科学校校报，2008，（3）.

[7]隋涛，朱威强，等.基于MSP430的智能车主动安全系统设计[J].自动化与仪器仪表，2016（12）.

[8]谭浩强.C程序设计（第三版）[M].北京：清华大学出版社，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