1.引言

随着经济社会的不断发展和交通运输方式的进步，城市道路通车量与日剧增。截至2022年底，全国机动车保有量达4.17亿辆，扣除报废注销量比2021年增加2129万辆，同比增长5.39%。与此同时，道路交通事故的发生率也随着道路的通车数量成正比上升。有必要采用强有力的措施来科学有效地降低道路行车的行驶速度，从而在一定程度上减少交通事故的产生。同时，尽管很多路段都对车辆运行速度设置了实时监测，并不能从根本上避免在桥头、连续急弯路段等交通事故频发的特殊路段仍然高速行驶的行为。此外，部分小心谨慎的驾驶员始终保持合理或者较低的速度进行行驶，而对这部分车辆通过减速带进行降速处理无疑是一种动能的浪费与损耗。

为了解决上述问题，本设计提出一种新型的可自动升降的减速带，并对其所设置位置需要车辆达到的运行速度阀值进行设定，从而起到对驾驶员安全的保护作用和对动能的合理管控。

2.方案设计

本设计由以下部分构成：用于检测车辆速度的传感器，用于控制电机的驱动器，用于提供电量的太阳能板，用于处理车辆速度的控制处理器以及对各个模块供电的电池组成。电池的充电由太阳能板进行，处理器用来根据速度检测器的信号来判断是否进行相应的升高挡板或者降低相应的挡板。

3.奖罚式智能减速带设计原理

奖罚式智能减速带包括升降减速带机构、控制器模块和红外光电传感器；升降减速带机构设置在道路相应位置的路面内并连接至控制器模块；控制器模块设置在道路一侧；红外光电传感器成对设置在升降减速带机构前方一定距离处并连接至控制器模块；成对设置的两个红外光电传感器沿道路方向一侧前后间隔一定距离并排设置。将测速机构与减速带相结合，基于红外光电传感器对车辆进行速度检测，在车辆速度检测的基础上利用丝杆电机的正转反转实现减速带的道路限速措施，实现超速者减速慢行，慢速者免于颠簸平稳通行，有效减少车辆与减速带的磨损效果。

机械结构上，装置由1-控制器模块；2-太阳能板；3-升降减速带机构；4-红外光电传感器；5-形成开关；6-丝杆电机；7-减速挡板；8-底板，如图1、2所示。

图1 减速带整体俯视结构示意图

图2  减速带机构侧视结构示意图

电子结构上，装置系统由1-控制器模块、4-红外光电传感器、以及6-丝杆电机组成。

当车辆即将通过此减速带时，首先一对光电传感器4实现对欲通过车辆进行速度检测，当车辆经过第一个光电传感器4时，开始计时，直到车辆经过第二个光电传感器4计时结束，通过中间固定距离长度的路程和测得的通过时间，以得到车辆的行驶速度，根据得到的车辆速度来判断车辆是否超速，如果超过了规定的速度范围，所述控制器模块1便控制丝杆电机6启动升起挡减速板7，使车辆颠簸，从而降低车辆的速度；减速挡板7升高或降低的幅度可以根据不同的路段进行相应的程序调整，如40千米每小时为减速阈值的道路上安装此减速带，升高高度为4.5厘米，60千米每小时为减速阈值的道路上减速带升高高度为3.5厘米，不同情况不同调整使得本实用新型具有良好的适用性；如果车辆速度未超过规定的速度范围则减速挡板7不升起，车辆正常通过路段，减速带不起减速作用，车辆无需经过颠簸从而无需减速。在减速挡板7上升或者在下降的过程当中，所述行程开关5用来检测减速挡板7是否升高或者降低到对应的位置，从而控制丝杆电机6的行程。

3.1硬件设计原理

本设计采用红外光电传感器，用来测量车辆行驶的速度，以此来判断车辆的速度，型号为E18-D80NK该模块内部采用漫反射的原理，当前方经过物体时会传输一个信号到控制器中，传感器有三根线，一根信号线，两根电源线分别为GND和VCC，该模块也可通过探头后方的旋钮调整检测距离。如图3为该模块的外部电路和内部原理图。

图3 外部和内部电路原理图

其作用原理是就是根据光的反射，该模块有两个部分，一个是光电发送探头，一个是接收探头，当发射的调制光波遇到障碍物时会反射回来，被接收探头接收。

在电机控制方面，所使用的电机驱动型号为L298N驱动模块，在使用时可将12v电源转化为5v，且在使用时可通过两个信号的翻转老控制电机的正反转，在使用简单的同时还简化了电路。该模块主要采用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N和光电耦合器TLP521-4组成，L298N作为集成的MOS电桥驱动芯片，负责驱动电机，光电耦合器TLP521-4对信号进行隔流，放置电流反击，导致控制器烧毁，同时提高带负载能力，稳定信号。

3.2 软件设计原理

传感器的信息采集、电机的驱动、速度的计算都需要主控制器，采用Atmega328P。需要将挡板进行上下的升降，采用旋转丝，如此原本在螺丝上的螺帽便会随之上升，反之旋转则下降，以此来实现了挡板的上升和下降。同时，还配置了太阳能板，通过太阳能板对内部的电池进行充电，实现的外部自给能量的方便，不需要人工的进行拉线供电等，极大的增加了其使用的便捷性，增加了设备的环境适应能力。

本设计基于单片机，通过光电传感器实现相应的速度检测。首先检测到车辆，通过车辆连续通过两个点之间的时间，通过中间固定的路程去除以相应的经过的时间，便得到了车辆的速度，根据得到的车辆的速度来判断车辆是否超速，还是在规定范围之内，如果超过了规定的速度范围，控制器便控制电机升起挡板，让车辆颠簸，从而降低车辆的速度，如果车辆速度正常侧挡板不升起，车辆正常通过路段，不经过减速带也就不需要经过颠簸不进行减速。

本设计通过一个快速移动的物体，在模拟测试场地测试减速带的反应速度，测试所用的单片机内部的定时器，通过物体经过第一个光电开关时开始计时，如表1 是测试数据。

表1测试设备反应时间表

此外，由于减速带升起所用时间较长，所用安装设备时，可以将速度检测模块置于减速带较前位置，给予设备反应和升起的时间。

4.结语

奖罚式智能减速带基于“人本交通”的设计理念，考虑机动车辆、非机动车辆、行人出行方式。既可起到该路段限速的目的又可使在规范行车的车辆免受颠簸之苦，有效减少车辆和路面的磨损，对非机动车的通行也能提供较好的行车舒适性，保障非机动车骑行安全的前提下，以满足不同人群的出行需求。在城市道路速度控制方面能够发挥巨大的作用，有一定的实用价值和社会价值，具有较为广阔的应用前景。

参考文献

[1] 孙雨昊,马其华,潘家海等.基于Arduino平台的新型减速带设计与分析[J].上海工程技术大学学报,2020,34(02):138-142.

[2] 罗准,冯武卫,周中华等.自发电减速带在道路交通中的设计应用[J].机械工程师,2019(10):74-76.

项目信息：大连科技学院2023年大学生创新创业训练计划项目“奖罚式智能减速带”研究成果

作者简介：杨昊佳(2003-)，男，汉族，山西省太原市人，本科在读，大连科技学院，研究方向交通运输。

通讯作者：王茁（1987-），女，汉族，黑龙江鹤岗人，硕士，大连科技学院副教授，研究方向交通运输工程。