一种新型的低功耗双路移动感应警示电路

沈建明，张柯坤，金梦瑶

（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

0 引言

随着人民生活水平的不断提高，汽车越来越普及，在小区转弯处和十字路口盲区发生交通事故的概率越来越大。目前在“L”或“T”形交通路口或小区盲区树立一面凸面镜（也叫广角镜），以瞭望对面的行人和车辆运行情况，以便及时做出反应，减少交通事故的发生[1]。

但是凸面镜能够看到的角度始终有限，有些连续转弯路口当看到对面的车或人的时候已经来不及做出反应，因此本文提出了一种新型的低功耗双路移动感应警示灯。主要应用在小区转弯处和地下车库盲区，或者十字路口死角等地方，为了防止盲区两边车辆由于看不到对方而碰撞的情况。

这款警示灯产品在国内基本没有应用，而且相比凸面镜来说成本较低，因此拥有比较好的市场前景。

1 设计内容

本项目采用双路红外传感器检测盲区两侧的移动物体（人或车），当只有一侧传感器探测到移动物体或者两侧传感器均没有探测到移动物体进入时，警示LED灯不亮；只有当两侧红外传感器在各自方向都检测到移动物体时，两侧LED警示灯每秒闪烁两次，并驱动一路喇叭声音报警；直到其中一个方向的移动物体信号消失后延时3秒，两侧LED警示灯熄灭，喇叭关闭。探测示意图如图1所示。

图1 示意图

红外运动探测器安装在2.5~3米的高度，两边的检测距离达到13米以上，考虑到一侧移动物体有可能被遮挡，两侧传感器电路均设计了可重复触发模式并延时3秒（即检测到移动信号，输出由低电平变为高电平并延时3秒；3秒内继续检测到移动信号，输出高电平再延时3秒；3秒内没有检测到移动信号，输出低电平，继续等待信号）。

警示灯电路主要有主控模块、电源模块、传感器模块和灯板模块四个部分组成，总体设计框图如图2所示。

图2 总体设计框图

2 理论分析

2.1 移动目标运动学分析

设盲区路口的两条道路分别为A1、A2，每条道路上各有一辆车分别以速度为v1、v2驶向路口，假设警示灯上两个红外移动探测器的探测距离分别为L1、L2，如图3所示。

图3 路口车辆运动分析

则从探测器探知目标，到目标车辆驶入路口的时间为：

2.2 移动目标不相遇的条件

如果警示灯两侧的红外探测器型号相同，探测距离L1=L2，而移动目标的移动速度不同，则两个目标在路口相遇，如表1所示，将会有以下几种情况：

表1 移动目标路口相遇的几种情况

从上述分析可以看出，在相同的预警距离下，当两个移动目标的速度相差不大或者相等时，移动目标在路口相撞发生交通事故的概率最大。

假设警示灯的探测器发现目标后立即发出预警，车辆驾驶人或者行人立即采取措施进行减速或者制动，则移动目标不发生相撞的条件为：

式中，L为预警距离，t为预警时间，v为移动目标速度。

式（3）即为对于不同的车速和预警时间，需要红外探测器提供的预警距离。

2.3 预警距离需求

依据前文分析，对于不同的车速和不同的预警时间，预警距离要求是不一样的。表2所示为不同车速和预警时间下，对于预警距离要求。

表2 不同车速和预警时间下预警距离需求

从表2可以看出，预警时间越早，所需要的预警距离越大，车速越快，所需要的预警距离越大。

《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》第四十五条和四十六条，对不同情况下的机动车最高行驶速度有明确的规定。没有道路中心线的道路，城市道路为每小时30公里，公路为每小时40公里；同方向只有1条机动车道的道路，城市道路为每小时50公里，公路为每小时70公里；通过铁路道口、急弯路、窄路、窄桥时最高行驶速度不得超过每小时30公里。可以看出，在城市T字形、L形路口，一般要求车速不会超过每小时50公里，乡村公路一般要求车速不会超过每小时40公里，转弯路口多、视野不好的山间道路，一般不会超过每小时30公里。不同路况下限速要求和预警距离，如表3所示。

从表3可知，对在山区道路上行驶的车辆，提前1秒预警，所需要的预警距离为8.3米；在乡村公路上行驶的车辆，提前1秒预警，所需要的预警距离为11.1米；在城市T、L形单车道行驶的车辆，提前1秒预警，所需要的预警距离为13.9米。如果需要提前2秒以上预警，所需要的预警距离会成比例增加。

表3 不同路况下预警距离需求

3 核心技术

3.1 低功耗设计

警示灯电路通过元件选型、电路设计、软件设计实现超低功耗。

主控芯片选用TI生产的超低功耗芯片MSP430F4250[2,3]，此款单片机具有休眠模式，具有超低功耗的特点，工作电压为1.8～3.6V，1MHz下工作电流仅为250μA；晶振采用32.768kHz手表晶振，PCB采用低功耗设计。

电源模块选用低功耗宽电压线性稳压器HT7533，HT7533是一组CMOS技术实现的低功耗高电压稳压器CMOS技术可确保其具有低压降和低静态电流的特性，用到的外围器件也很少。

软件设计采用低功耗模式3（休眠模式）下工作，正常情况下工作电流在微安级，当检测到两路信号后唤醒工作，电流达到毫安级，信号消失后继续休眠。

3.2 传感器模块设计

传感器模块选用被动红外探测控制芯片NCS36000和被动红外检测传感器PIR[4]的组合，NCS36000芯片是一款低功耗的混合信号处理芯片，通过调整NCS3600芯片外围的电阻电容参数实现检测信号的低噪声两级放大，检测距离可以增大一倍左右，如图4所示。

图4 两级放大设计框图

此模块有单脉冲检测模式和双脉冲检测模式以供选择，如图5所示，单脉冲检测模式即当检测到单个脉冲（时间宽度大于48ms）就认为有移动信号；双脉冲检测模式是当检测到第一个脉冲（时间宽度大于48ms）后，5秒内检测到第二个脉冲（时间宽度大于48ms），才判断有移动信号，如果5秒内没有检测到第二个脉冲，则重新检测，这样更加准确的判定移动信号，防止误动作。

图5 信号模式选择方式

传感器模块设计电路框图如图6所示。PIR探头采用的是全新原装进口RE200B-P人体红外热释电传感器，能吸收大部分物体表面的红外线辐射，同时输出一个红外线能量与温度成比例关系的电压信号[5]。系统应用的热释电红外传感器PIR灵敏度高，反应迅速，抗干扰性能强，且该传感器本身不产生有害辐射，安全可靠，相比一般的高频多普勒[6]移动感应传感器，功耗更低，价格更加低廉[7]。

图6 传感器模块框图

本作品采用一种菲尼尔透镜安装在热释电传感器PIR的窗口上，实现检测距离的增大，菲涅尔镜片是红外线探头的“眼镜”,它就像人的眼镜一样,配用得当与否直接影响到使用的功效。配用得当能充分发挥人体感应的作用,使其应用领域不断扩大。它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动[8]。

菲涅尔透镜的原理基于菲涅尔波带片，菲涅尔波带片具有类似透镜的作用，它可以使入射光汇聚起来，产生极大的光强,其成像公式如下：

式中，ρ为光源到波带的距离，r0为透镜中心到像点的距离,R为透镜半径，m为波带数，λ为入射光波长。

波带片与透镜有个重要的区别，即一个波带片有很多焦点，上式给出的是它的主焦点，除此之外，还有一系列的次焦点，它们的距离分别为f/3、f/5、f/7...，在其对称位置还有一系列虚焦点。

菲涅尔透镜从外观分类为长形,方形,圆形;从功能分类为单区多段,双区多段,多区多段，如图7所示。

图7 菲尼尔透镜分类

国内有关学者的研究数据表明[9],单区多段ML002透镜探测距离为10m,双区多段型8709SM透镜探测距离为15m,多区多段型的7706和8204探测距离分别为25m和40m[10]，因此本作品采用多区多段型8204透镜安装到PIR传感器上，探测距离足够远，也能有足够的预警时间。

图8 (a)为安装菲涅尔透镜前的检测模块电路板，图8(b)为安装了菲涅尔透镜后的检测模块电路板。

图8 安装菲涅尔透镜前后的检测模块

3.3 中断唤醒程序设计

软件设计采用IAR Embedded Workbench IDE进行编程，当只有一侧传感器探测到移动物体或者两侧传感器均没有探测到移动物体时，警示LED灯不亮；只有当两侧红外传感器在各自方向都检测到移动物体时，两侧LED警示灯每秒闪烁两次，并驱动一路喇叭声音报警；直到其中一个方向的移动物体信号消失后延时3秒，两侧LED警示灯熄灭，喇叭关闭。主程序是双路移动检测中断响应程序，考虑到一侧移动物体有可能被遮挡，两侧传感器硬件电路均设计了可重复触发模式并延时3秒，因此软件设计程序也要延时3秒；因此主要软件设计流程图如图9所示。

图9 软件设计流程图

另外在使用过程中电池电量耗尽就无法检测，因此设计了低电量检测报警电路，通过单片机检测电池电量，当电池电量快要耗尽时，改变LED灯闪灯模式为交替闪灯以示报警，但不影响正常工作。低电量模式下还能使用3-4周时间，但要及时更换电池。

4 实验测试

为取得本产品的主要技术指标和有关数据，需要进行多次多项实验测试，实验内容主要包括测试产品的功耗，测量传感器检测距离，判断预警的有效性等。

4.1 功耗测试

警示灯电路处于工作状态时，测量其电路工作电流约为5.3mA，图10所示为电流测量过程。以电路连续工作1年计算电量：

图10 电路工作电流测试

1年电量值=5.3mA×24H×365d=46428mAH

1节金霸王1号D型碱性电池的电量为14000mAH，6节电池的电量为84000mAH，因此理论情况下电路连续工作可持续工作时间=84000÷46428=1.81年，可以看出，理论上电路连续工作将近2年，实际由于电池电量损耗等因素，可连续工作1年左右。

4.2 预警距离测试

预警距离是本产品最重要的一个指标，获得准确可靠的预警距离，对于产品的应用与推广有非常重要作用。在测试实验中，模拟两组场景，一组场景是两条道路上的移动目标分别是小轿车和电动车，另一组场景是两条道路上的移动目标均是小轿车。实验过程如图11和12所示。实验数据表明,警示灯的预警感应范围为15M×3M，感应有效角度范围为63°，有效角度30°时检测距离最大达到14.8米，具体对应关系如图13所示。

图11 预警距离测试

图12 预警距离测量

图13 有效角度与预警距离关系图

经过测试分析得出以下两点结论：

(1)探测器安装高度在2.5~3米的时候探测距离最大，且对探测范围内地面上地小动物不产生报警，说明感应距离与安装的高度有关。

(2)路口是否会相撞分为三种情况：

①两侧都是人在移动显然不会发生交通事故；

②一侧是汽车，一侧是人，由于人的移动速度慢，看到警示后能够及时避让，汽车司机也会及时减速因此一般也不会发生交通事故；

③两侧都是汽车或者电瓶车时，就需要分析移动目标速度，在30km/h（8.3m/s）以下时，预警时间在1.8秒左右，移动目标速度在40km/h（11m/s）时，预警时间为1.35秒，一般能及时将车速降下来，避免事故。

移动目标速度在50km/h（13.8m/s）时，预警时间为1秒，反应灵敏的司机可采取紧急制动及时减速，如果在盲区路口车速超过50km/h就相当危险了，发生事故的概率将非常大。

4.3 双路感应测试

当盲区路口两个方向同时有移动物体（人或车）时，可通过每秒闪灯2次对人或车进行警示，并驱动喇叭发出声音。当一侧移动物体信号消失后，立刻停止闪灯警示。

4.4 复杂路况测试

当出现盲区路口有多辆车或多人经过的复杂路况时，即两路传感器在5秒内接受到3个以上的信号，警示灯采取快闪（每秒4次）的方式告知两边路口都要减速慢行，注意避让。

5 主要技术指标

(1)供电电压：DC 9V（6节1号D型碱性电池串联）。

(2)工作电压：DC 3.3V。

(3)电路板尺寸：主控板<9cm×3cm，传感器<3cm×2cm，灯板<7cm×2cm。

(4)感应范围：(L × H)15m ×3m。

(5)探测角度范围：63° (墙面或柱子安装) ，如图13所示。

(6)单块灯板功率：<0.02w。

(7)工作静态电流：20μA。

(8)工作动态电流：5.3mA。

(9)工作温度：-20℃-70℃。

(10)灯闪频率：每秒2次，快慢可由程序控制。

(11)作品成本：<15元。

6 技术创新与优势

6.1 技术创新

(1)低功耗设计：电源模块和控制部分都能够实现超低功耗设计，用6节1号D型碱性电池供电的话连续工作可以用上1年左右，正常情况不工作处于休眠状态。

(2)检测距离远：主要考虑到汽车速度比较快，因此传感器模块采用低噪声两级放大混合信号处理芯片控制，在配合多区多段菲尼尔透镜，检测距离要达到13米以上稳定可靠。

(3)低电量检测：当电池快耗尽时，通过单片机检测电压实现程序控制改变闪灯模式告知，以便及时更换电池。

(4)低成本设计：传感器模块和控制模块都采用同一电源模块3.3V供电，减少电路器件和PCB面积，减少成本。

6.2 技术优势

(1)安装简便。无需外接电源，无需铺设线路。

(2)绿色环保。不含有害物质，不排放污染物。

(3)警示效果好。LED采用台湾晶元芯片，亮度高，警示效果好，光衰减慢。

(4)性能稳定。采用MSP430超低功耗单片机控制，保护电路齐全，功能稳定可靠。

(5)使用寿命长。LED使用寿命≥100000小时，电路板使用寿命15年。

(6)坚固耐用。铝型材外壳和PC外壳相结合，抗冲击，抗老化，耐腐蚀，铝外框固定，装置防水防尘达到IP56。

7 后期改进

由于低功耗双路移动感应灯是采用电池供电的，等电池耗尽前需要更换电池，因此后期我们增加太阳能充电的方式以减少更换电池，让电路工作的更持久。