黃永鎮(zhèn) 李晶晶 賈雪松 徐天一 蔡明洋 許正陽(yáng) 李林

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及汽車日益普及，人們享受著汽車出行所帶來(lái)便利的同時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)交通事故和車內(nèi)物品丟失等一系列的問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信、紅外人體傳感模塊、超聲波測(cè)距和單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距汽車倒車防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高效、靈活、智能的特點(diǎn)，使汽車更加人性化、智能化，最終實(shí)現(xiàn)汽車“保護(hù)神”的目的。

關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距;防撞;汽車

1 引言

由于汽車制造業(yè)的高速發(fā)展，汽車安全已越來(lái)越成為了買車者的第一大考量因素。但盡管受金錢等現(xiàn)實(shí)原因的影響，安全性卻一直是人們潛意識(shí)的焦點(diǎn)，新型的車輛層出不窮，而且安全性要求非常高。汽車安全性主要包括以下二大類。一類稱為主動(dòng)安全性控制系統(tǒng)，意思是在汽車陷入危機(jī)之前，避免汽車被碰撞的控制系統(tǒng)。目的是為了增加汽車的穩(wěn)定性，并降低控制誤差。而第二類汽車的主要安全特性為被動(dòng)安全，這意味著汽車在出現(xiàn)碰撞事件的情形下將不可避免，而僅僅通過(guò)汽車自身來(lái)防護(hù)碰撞，從而使撞擊的損失減至或最小化。例如車體構(gòu)造、安全帶、氣囊、頭枕、折疊式方向盤和剎車踏板都是被動(dòng)安全的重要組成部分。

本文以AT89S51單片微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)控制器，設(shè)計(jì)了一個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)潔、性價(jià)比合理、安全性較高的防撞報(bào)警控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采取了模塊化設(shè)計(jì)，具備很大的靈活性和可擴(kuò)展性，主要由單片微型計(jì)算機(jī)模塊、超聲波測(cè)距模塊、聲光報(bào)警模塊、液晶顯示等構(gòu)成的[1]。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外不少科研單位和車輛廠家也在著力研究車輛防撞，盡管同西方國(guó)家先進(jìn)的車輛防撞體系比較，中國(guó)研制的車輛防撞體系還具有較大的缺陷，但在過(guò)去三十多年中仍在分階段獲得發(fā)展，各自對(duì)防撞系統(tǒng)理論做出了大量的研究。

該理論把語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理整合在車輛防撞控制理論中，將整個(gè)汽車防撞體系看作一個(gè)"人機(jī)對(duì)話"。這理論大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)汽車控制判斷的方法，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的定義能夠用數(shù)理邏輯描述，所以它有著很大的前瞻性和可操作性，我認(rèn)為這一理論一旦完善，必將引起汽車產(chǎn)業(yè)的巨大變革。

智能報(bào)警系統(tǒng)中能夠及時(shí)提醒車速，并能夠自動(dòng)檢測(cè)車輛與前方車輛之間的距離。此外，防撞系統(tǒng)中還設(shè)有雷達(dá)識(shí)別系統(tǒng)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)車輛周圍的動(dòng)態(tài)環(huán)境，并對(duì)車輛前方的障礙物實(shí)現(xiàn)了智能分析和計(jì)算。假如一個(gè)障礙物危及到了司機(jī)的安全，而駕駛員又不能采取措施避開它，那么雷達(dá)就會(huì)給操作員發(fā)送一個(gè)信號(hào)，操作員就會(huì)剎車。同樣，系統(tǒng)中的處理器也可以對(duì)通過(guò)雷達(dá)所傳輸?shù)母鞣N路況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理[2]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)作為微控芯片，結(jié)合了超聲波傳感器測(cè)距，設(shè)計(jì)出一個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)潔、性能穩(wěn)定、檢測(cè)準(zhǔn)確度較高的車輛防撞報(bào)警系統(tǒng)，給車輛提供了"保護(hù)神"的功能。該系統(tǒng)可以即時(shí)提示車輛和障礙物之間的距離，并實(shí)現(xiàn)手動(dòng)剎車功能，同時(shí)添加了溫度補(bǔ)償電路，從而提升了檢測(cè)準(zhǔn)確度，在檢測(cè)距離低于設(shè)置的報(bào)警距離時(shí)會(huì)開啟聲光報(bào)警。通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的過(guò)程[3]?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

（1）AT89S51芯片向超聲波傳感器模塊的觸發(fā)口發(fā)送長(zhǎng)度為20us的脈沖信號(hào)，使超聲波發(fā)射電路向前發(fā)送超聲波測(cè)量，此時(shí)AT89S51芯片計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)：當(dāng)超聲波遇到障礙物反射時(shí)，超聲波接收電路接收反射波，通過(guò)回波口向主控制器測(cè)量高電平信號(hào)，然后出現(xiàn)低電平，計(jì)數(shù)器開始中斷，時(shí)間在AT89S51根據(jù)時(shí)差檢測(cè)公式s=t/58（cm）計(jì)算距離。

（2）主控芯片AT89S51根據(jù)設(shè)定的報(bào)警距離判斷前方是否出現(xiàn)了障礙物，如果判斷是，則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，LED燈閃爍。

（3）利用主控芯片分別對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)發(fā)送連續(xù)的具有一定占空比的矩形脈沖進(jìn)行PWM小車速度調(diào)制，在沒(méi)有障礙物的情況下，后輪直流電機(jī)收到一定的脈沖寬度則小車走的是勻速直線運(yùn)動(dòng)：當(dāng)AT89S51芯片判斷出有障礙物時(shí)，則前輪得到一定脈沖寬度，從而達(dá)到避障的目的。

（4）驅(qū)動(dòng)器使用了L298芯片，主要優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大，能承載超過(guò)四十六伏的電流，并提供了兩套在港口，方便調(diào)速的兩個(gè)車輪。而超聲波模塊使用了定時(shí)中斷計(jì)時(shí)的方式，計(jì)算簡(jiǎn)潔高效，在程序中使用了超時(shí)限制，以避免無(wú)限數(shù)的錯(cuò)誤出現(xiàn)，并采取了相應(yīng)對(duì)策影響溫度，以增加檢測(cè)準(zhǔn)確度。使用了四節(jié)串聯(lián)干式電池作電源，電源滿足了設(shè)計(jì)需要，是一個(gè)很好的高穩(wěn)壓的直流電源，有效防止了電網(wǎng)變流技術(shù)時(shí)電壓不平衡，在一定程度上也減少了電網(wǎng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。而Led和蜂鳴器的設(shè)計(jì)也達(dá)到了安全報(bào)警的效果，有很大的實(shí)用價(jià)值。

4 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)控制芯片

本系統(tǒng)所采用的可編程控制芯片為 51 單片機(jī)控制芯片，成本廉價(jià)，并且具有良好的控制性能，該控制芯片擁有在線編程的功能，還擁有快速的運(yùn)行能力，是現(xiàn)在設(shè)計(jì)電子領(lǐng)域的廣泛采用的控制芯片[4]。整體電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

4.2 電源電路模塊

電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提，所以需要有一種合適的供電設(shè)計(jì)。而通信業(yè)的快速發(fā)展，極大的促進(jìn)了通信電源的發(fā)展。高頻微型化的工作電源，及其技術(shù)已成為現(xiàn)代交流供電的首選。在交流領(lǐng)域中，人們一般將整流設(shè)備稱作一次電源，或?qū)⒅绷?直流（DC/DC）的自動(dòng)變換器稱作二次電源。例如對(duì)于汽車電機(jī)部分的工作電源，盡管在電池耗盡后電流減少，但為了順利地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以給電機(jī)提供六伏直流電壓，再通過(guò)并聯(lián)的四節(jié)或五號(hào)電池，這樣，即使電池?fù)p耗，但整個(gè)電池盒的工作電源供應(yīng)仍超過(guò)了三伏，所以這種電流仍然能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)順利工作。電源電路如圖3所示。

4.3 晶振電路模塊

本系統(tǒng)所采用的晶體振蕩器電路是保證單片機(jī)正常工作所必需的周期電路。如果晶體振蕩器電路不工作，就沒(méi)有周期，從而導(dǎo)致系統(tǒng)周期的混亂，晶體振蕩器電路是電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵電路之一，在晶體振蕩器振蕩時(shí)能夠提供一個(gè)合理的振蕩周期。晶振電路如圖4所示。

4.4 超聲波測(cè)距模塊

本系統(tǒng)所采用的測(cè)距模塊是利用超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其原理是采用聲波特性中的反射原理構(gòu)成的，根據(jù)所使用的時(shí)間，來(lái)測(cè)得實(shí)際距離，完成相關(guān)的測(cè)距任務(wù)工作等問(wèn)題，其原理十分簡(jiǎn)單，但也有一定的缺陷[5]，就是其精度稍有偏差。

4.5 紅外熱傳感器模塊

車身的遠(yuǎn)紅外熱釋電傳感器被放置在前擋風(fēng)玻璃下，用來(lái)檢測(cè)是否有人進(jìn)入了限制區(qū)域。紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到中央處理器主機(jī)，中央處理器即可利用紅外的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周圍環(huán)境的變化。也可以通過(guò)跳線選擇單次觸發(fā)和重復(fù)觸發(fā)方式。

5 軟件設(shè)計(jì)部分

本系統(tǒng)采用的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)是C語(yǔ)言編程，由于C語(yǔ)言編程具有較好的編程環(huán)境和在線編程能力，在電子工業(yè)編程語(yǔ)言中得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)一旦啟動(dòng)，CPU就會(huì)在晶體振蕩器的驅(qū)動(dòng)下開始工作，也就是說(shuō)，每個(gè)機(jī)器循環(huán)到指定的地方提取指令，然后解析并執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備工作時(shí)，對(duì)AT89S51單片機(jī)的I/O接口進(jìn)行連續(xù)掃描，接收并采集各模塊的信號(hào)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信、紅外人體傳感模塊、超聲波測(cè)距和單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距汽車倒車防撞系統(tǒng)，系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)作為控制器，超聲波傳感器作為測(cè)量元件。該系統(tǒng)具有高效、靈活、智能的特點(diǎn)，可有效減少或避免碰撞事故的發(fā)生，減輕人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失，使汽車更加人性化、智能化，最終實(shí)現(xiàn)汽車“保護(hù)神”的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 畢克偉，孟祥佳.基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能車載安全系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021（1）：85-87.

[2] 李敏.物聯(lián)網(wǎng)在智能變電站系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì) [D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2016.

[3] 孫景偉，丁學(xué)用.汽車無(wú)線防盜防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2020（8）：77-78.

[4] 陸文昌，徐力，袁朝春.汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)主動(dòng)制動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2017（4）：195-198.

[5] 王守中. 51 單片機(jī)開發(fā)入門與典型實(shí)例[M].北京： 人民郵電出社，2007.

[6] 張紅月.一種新型的主動(dòng)式汽車防碰撞系統(tǒng)的研究[J].電子世界，2018（18）：196+198.

作者簡(jiǎn)介：黃永鎮(zhèn)（2000年3月生），男，漢族，河南省鶴壁市，沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程系，本科在讀，研究方向：通信技術(shù)。

項(xiàng)目來(lái)源：沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院2021年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：無(wú)線智能化技術(shù)背景下的汽車“守護(hù)神”;項(xiàng)目編號(hào)：202113208018。