基于STM32的可升降智能减速带系统

崔婧琪，薛博雅，刘 帅，胡雍怡，吴 帆，陈 薇

（合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230002）

随着国内的汽车业的发展，中国居民汽车保有量成倍增长，车辆增多也导致交通事故发生率上升，道路行驶的安全性愈发受到重视。为提升安全性，交管部门会在事故高发路段设置警示牌，如“前方事故高发路段，请减速行驶”“前方学校路段，请减速行驶”等，然而设立警示牌的减速效果与司机本身有密切关联，车龄较长或是对路段较熟悉的的司机常常对标牌视若无睹，并不会因此采取减速措施。有些道路采用形式多样的测速系统，却受制于拍摄角度、后期检修维护等因素，无法全面普及。在此背景下，减速带应运而生。

中国城市道路交通发展时间较早，发展初期，生产技术、设计方案和使用成本均有限，道路上设置的减速带较多采用传统的梯形和半弧形结构，通过影响驾驶人的心理来实现减速。传统结构的减速带虽然成本较低，但是对于车辆的实际减速效果并不理想，且容易造成底盘磨损等，使车辆使用寿命降低。一些针对传统减速带的调研报告也显示，通过减速带时，无论车辆速度高低，驾驶员与乘车人均感受到明显震动，乘车体验感较差。目前发生的超速造成的交通事故中，传统减速带对车辆的伤害也不容忽视。随着中国近年来的经济发展，与城市道路交通相关的配套设施也愈发完善，人们逐渐意识到了传统减速带的弊端。

针对上述问题，拟设计一种可升降智能减速带。智能减速带通过单片机可实现对相关路段行车速度的管制，在确保基础行车安全的同时，降低驾驶人员的颠簸感，减少对通过车辆的伤害。辅以对斑马线上行人通过情况的监测和夜间的指示灯功能，使得传统减速带的安全性得到进一步的提高和拓展。

1 新型减速带结构设计

为了将减速带智能化，传统的减速带结构已经不再适用。为了将电子器件与减速带有机结合起来，有针对性地设计了这种新型减速带的结构。在实现预期技术目的的基础上，减速带的设计主要考虑机械结构的稳定性、升降动力传递的灵活性以及安装与维护的难易程度等因素。

每一块减速板单元主要包括2块减速板侧板和1块减速板顶板以及外部的起缓冲作用的橡胶。在外观和规格上，预期的减速带与目前市场上的普通减速带基本一致，能满足所需的减速需求。

新型减速带外观如图1所示。

图1 新型减速带外观模型图

升降结构部分主要包括底部支撑板、电动推杆、加长杆、上层支撑板、剪刀撑，新型减速带侧面模型如图2所示。其中，电动推杆为系统的主动件，主动件能够在控制模块的控制下，精确地通过电动推杆伸缩的方式实现动力的输出。其余零件为从动件，动力从电动推杆装置依次通过上层支撑板、剪刀撑传递到减速板，从而实现所述机构的升降预期。

图2 新型减速带侧面模型图

在所述机械结构中，考虑到机构的使用环境，在使用过程中会受到车轮的撞击而产生的强大冲击力，为避免主动件受横向冲击力，因此不采用将减速板与电机装置直接相连的措施，而是在减速板与电动推杆装置间加装了剪刀撑结构来承受横向分力。

2 新型减速带电气硬件设计

新型智能减速带系统的各模块电气连接如图3所示。

图3 新型智能减速带系统各模块电气连接

2.1 地感线圈测速模块

地感线圈测速是一种基于电磁感应原理的测速方法，它由2组埋在路面下的地感线圈与1个车辆检测器组成。当车辆通过时，其金属底板与线圈之间发生磁感应，使线圈的电感值减小，测速系统回路的调谐频率发生变化。车辆通过2个地感线圈产生的信号经过整形后处理成矩形波，已知2个线圈的距离，计算信号的时间间隔即可得到车辆的速度[4]。

拟将2组电感线圈安装于减速带后方（以车辆前进方向为前方，下同）5 m和10 m处，车辆通过后，车速检测器将车辆的速度转换为电信号传输至单片机，由单片机判断车辆是否超速，进而下达指令给升降模块，完成下一步功能。

2.2 行人检测模块

红外传感器可以利用热释电效应将温度信号转换为电信号进行探测。进入感应范围后，人体发射的8～14μm红外线通过菲涅尔滤光片调制后聚焦到敏感源上。敏感源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经后续电路放大和滤波等处理后就能输出电信号[5]。

HC-SR501是应用广泛的人体感应模块，灵敏度高，可靠性强，使用简单，检测范围和延时时间可以根据使用需求进行调节。将人体感应模块安装在斑马线靠近人行道的两侧，当检测到行人通过时，由OUT端输出一个高电平并传回单片机。在设置的延时时间内，如果有行人在感应范围内走动，其输出将一直保持高电平，传感器范围内无人时，OUT端恢复低电平。单片机通过接收的信号电平判断斑马线是否有行人通过，并发出下一步指令。

2.3 超声波测距模块

测距可通过超声波的发射与接收来实现。超声波发射器可向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波停止计时。

考虑到智能减速带可能工作于气候潮湿、雨水较多的地区，且测距模块不应在路面占用过多空间，以免对车辆的正常行驶造成不便，拟采用一种带有一体化封闭式防水带线探头的JSN-SR04T超声波测距模块。将测距模块紧贴减速带前方安装，若接收器检测到有信号返回，则通过I/O口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测量距离=（高电平时间×声速）/2，声速可取340 m/s。车辆通过减速带时，测距模块所测距离明显减小，I/O口输出的高电平时长变短。当车辆完全通过后减速带后，测距模块输出变为正常值。输出的电信号被单片机接收，进行相应的计算得到此时测距模块所测距离大小，判断车辆是否完全通过减速带，并完成下一步功能。

2.4 LED模块

安装LED灯用来显示减速带的升降状态，可以更加有效地提醒司机和行人并做好准备。当减速带升起时，LED灯显示红色；当减速带降落时，LED灯灭。

2.5 无线遥控模块

鉴于智能减速带控制单元位于路面下方，遥控信号需要具有良好的穿透力和稳定性。因此，拟采用基于PT2262/2272编解码电路的无线遥控套件对减速带进行远程控制。预设的触发信号经过编码模块编码、调制、放大、输出，被解码接收模块接收并解码出数据传给单片机，由单片机根据指令控制减速带的升降。

2.6 基于电动推杆的升降模块

在缓冲带所在的地面下方铺设相应数量的电动推杆，以实现对缓冲带的工作状态的控制。将电动推杆和往复式电机通过驱动模块与单片机进行连接，在对相应的信号实现处理同时，也可以通过控制电机上升的时间来实现对缓冲带上升高度的控制。

部分传感器实物如图4所示。

图4 部分传感器实物图

3 新型减速带电气软件设计

智能减速带系统在工作时，由地感线圈模块检测车辆是否超速，行人检测模块检测斑马线上是否有行人，超声波测距模块判断前一车辆是否完全通过，无线遥控模块接收控制指令。当前三者全部满足时，即车辆超速，斑马线上有行人，前一车辆已经完全通过，STM32核心板发送减速带升起指令，从而控制电动推杆和LED灯（如图5所示）。在特殊情况下，减速带的升起状态可通过人为控制，即通过无线遥控发出减速带升起指令，这时，即使不满足前三个条件，STM32核心板依然发出减速带升起指令。

图5 电气软件部分流程图

4 结束语

可升降智能减速带系统采用的所有技术在国内外研究中广泛采用，技术十分成熟，理论上是可行的。整体适应性好，应用范围广，对于减速带可设可不设的尴尬地段、学校之类的分时段限速路段、易受雾雪天气影响的交通事故黑点路段均能适用，综合效益较高，有利于改善交通整体环境，结合可持续发展的主题，实现绿色交通。