朱 磊 高 榮 楊志健 朱學(xué)莉

(蘇州科技學(xué)院機電工程系，蘇州 215009)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，道路上的車輛越來越多，交通事故也呈不斷上升的趨勢.據(jù)統(tǒng)計，我國每年死于交通事故的人數(shù)高達10萬人，直接經(jīng)濟損失近30億，汽車的安全性已成為人們關(guān)注的重點.如何降低汽車交通事故的發(fā)生率，已成為世界汽車工業(yè)的重要課題［1－3］.

本項目利用超聲波傳感器實時監(jiān)測汽車前后的障礙物，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定值，當汽車與障礙物之間的距離過小時，就會發(fā)出報警信號，提醒駕車者采取剎車、減速、變道或警示后車等辦法，以確保行車安全.

1 汽車安全的基本概念

汽車安全系統(tǒng)可分為主動安全系統(tǒng)和被動安全系統(tǒng).主動安全系統(tǒng)的主導(dǎo)思想是提高車輛行駛的穩(wěn)定性，或者在危險到來前提醒駕駛員.防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)、牽引力控制(TCS)及電子制動力分配(EBD)等底盤控制系統(tǒng)都屬于主動安全系統(tǒng).在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，汽車安全在很大程度上依靠駕駛技術(shù)，而主動安全系統(tǒng)可在危險發(fā)生前，對事故隱患進行干預(yù)，最大程度地減少危險.

被動安全系統(tǒng)是減少事故損害的一種措施，在事故發(fā)生后起到提升安全系數(shù)的作用，在發(fā)生危險時，保護駕乘人員，以及車外被事故影響到的人.被動安全系統(tǒng)主要包括安全帶、安全氣囊等.目前，在我國安全氣囊和防抱死制動系統(tǒng)已成為轎車標準配置.

如何保證安全系統(tǒng)更可靠，無疑是消費者最為關(guān)心的問題，而如何避免事故發(fā)生顯然具有更積極的意義，因而汽車主動安全系統(tǒng)更為人們所關(guān)注.因為主動安全是預(yù)防事故的發(fā)生，更能保證駕車及乘車者的安全，防患于未然.研究表明，主動安全產(chǎn)品的研究與應(yīng)用將是未來汽車安全產(chǎn)品的發(fā)展趨勢［4］.

2 安全車距預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)

在本項目研究中，車載預(yù)警裝置以AVR單片機為核心，以超聲波傳感器作為測距單元，可通過LCD點陣式液晶顯示器顯示實時數(shù)據(jù)，并通過蜂鳴器進行報警提示.軟件部分采用WinAVR開發(fā)環(huán)境，使用C語言編程，幾種技術(shù)平臺實現(xiàn)了無縫連接.

安全車距智能預(yù)警系統(tǒng)主要由AVR單片機、點陣式LCD顯示器、超聲波傳感器，加速度傳感器等幾部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.

圖1 安全車距預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.1 超聲波測距原理

超聲波具有較長的傳播距離和較緩慢的能量衰減，且指向性強，因此在工業(yè)領(lǐng)域中超聲波得到了廣泛的應(yīng)用，如設(shè)備現(xiàn)場位置監(jiān)控，管道或井深長度探測、醫(yī)療設(shè)備、機器人行走線路探測及汽車倒車距離探測等.與激光測距技術(shù)相比，超聲波探測有成本低廉、測距方法簡單、設(shè)計方便、計算簡單等優(yōu)勢，特別是超聲波可通過多種介質(zhì)傳輸，使超聲波距離探測得到了廣泛的應(yīng)用.

超聲波測距的方法有多種，如往返時間檢測法、相位檢測法及聲波幅值檢測法等，本項目采用往返時間檢測法.其測距原理是:超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同一時刻開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時.超聲波在空氣中的傳播速度與空氣溫度有關(guān)(見表1)，因此，根據(jù)計時器記錄的時間和溫度傳感器檢測到的空氣溫度，就可計算出發(fā)射點距障礙物的距離，其原理參見圖2.

表1 超聲波傳播速度和空氣溫度之間的關(guān)系

假定L為被測物體到測距裝置之間的距離，計時器記錄的時間為t，空氣溫度為C，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，則可通過式(1)計算出被測物體到測距裝置之間的距離.

式中，C的單位為℃;t的單位為 s，v=331.4+0.607C，是考慮了溫度對超聲波傳播速度影響因素的一個速度修正算式;v的單位為m/s.

2.2 硬件的選擇

(1)超聲波傳感器. 超聲波傳感器分為電氣和機械方式兩類.超聲波傳感器實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，在發(fā)射端它把電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲波能，接收端則將所接收到的聲波能轉(zhuǎn)換回電能或機械能.本項目采用壓電式超聲波傳感器，利用壓電晶體的諧振進行工作.

圖2 往返時間檢測法測距原理

(2)ATmega 128單片機. ATmega 128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器.由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega 128的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾.

ATmega 128具有如下特點:128 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4 K字節(jié)的EEPROM，4 K字節(jié)的SRAM，53個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，實時時鐘RTC，4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器(T/C)、2個USART，面向字節(jié)的兩線接口TWI，8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，SPI串行端口，與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口(此接口同時還可以用于片上調(diào)試)，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式.空閑模式時CPU停止工作，而SRAM，T/C，SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作;掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持;省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)(參見ATmegal 128單片機數(shù)據(jù)手冊).

(3)點陣式LCD顯示器. 本系統(tǒng)采用點陣式LCD顯示器作為人機界面.點陣式LCD顯示器具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動等其他顯示器件無法比擬的優(yōu)點，不僅可顯示數(shù)字、字符，還可以顯示漢字及各種圖形、圖片，可實現(xiàn)屏幕上下左右滾動、動畫、反轉(zhuǎn)顯示、顯示閃爍多種功能，已成為智能儀器儀表和測試設(shè)備的首選顯示器件.LCD按點陣排列順序，將每個像素的色彩值以規(guī)定的方式把整個圖片記錄下來.

2.3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件由單片機最小系統(tǒng)、超聲波探測、LCD顯示器幾部分組成.

(1)單片機最小系統(tǒng). 單片機最小系統(tǒng)主要由以下部分組成:①78 L 05穩(wěn)壓器，提供系統(tǒng)所用的5 V電源;②JTAG仿真接口，使用JTAG ICE仿真器調(diào)試程序;③EEPROM存儲芯片，存儲各種歷史數(shù)據(jù);④RTC溫度傳感器，用于輔助計算探測距離;⑤加速度傳感器，使用I2 C接口與單片機通信，用于輔助判斷危險等級;⑥輪速傳感器，用于輔助判斷危險等級;⑦蜂鳴器模塊，用于報警提示;⑧超聲波發(fā)送/接收電路，將40 kHz PWM信號放大發(fā)送，并由接收部分電路接收返回信號，觸發(fā)單片機捕捉中斷.

(2)超聲波檢測部分. 超聲波檢測電路由超聲波發(fā)射模塊、超聲波回波信號接收模塊、單片機處理器三部分組成.發(fā)射模塊用來產(chǎn)生超聲波，模塊采用可控高壓電源設(shè)計方案.回波信號接收模塊由回波信號整理電路和信號采集電路組成.其主要功能是接受來自被測障礙物的超聲回波，通過回波信號調(diào)理電路和信號采集電路實現(xiàn)對回波信號的放大、濾波及數(shù)據(jù)采集.

(3)LCD顯示器部分電路. LCD顯示器部分的電路原理如圖3所示.由圖3可見，LCD與單片機的接口電路采用直接訪問方式，即把顯示器模塊作為I/O設(shè)備直接掛在單片機總線上，單片機通過對I/O口的操作間接實現(xiàn)對模塊的控制.

圖3 LCD顯示器部分的電路原理圖

圖4 系統(tǒng)的軟件流程圖

2.4 軟件開發(fā)

智能預(yù)警系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示.由ATmega 128單片機實時采集各種數(shù)據(jù)，計算并判斷前后發(fā)生碰撞的可能性，并通過LCD顯示器和蜂鳴器提醒駕駛員注意.

系統(tǒng)使用計時器中斷實現(xiàn)1ms精度的時間控制，每隔100 ms進行一次距離探測，發(fā)出40 kHz的PWM波并通過接收捕獲中斷獲得傳播時間，并計算出前后障礙物的實際距離.在每個程序周期內(nèi)，系統(tǒng)會根據(jù)采集到的輪速信息、加速度信息、障礙物實際距離等，分別計算出前后方障礙物與汽車的碰撞時間，根據(jù)碰撞時間，系統(tǒng)會設(shè)定不同的告警等級，如普通報警、嚴重報警，并設(shè)置控制蜂鳴器的PWM頻率，以實現(xiàn)不同的蜂鳴器提示.

3 結(jié)語

本文研發(fā)了一種車載安全車距智能預(yù)警裝置，經(jīng)測試，裝置具有較好的預(yù)警效果.應(yīng)用該裝置，可提高駕車的安全系數(shù)，降低交通事故的發(fā)生率，減小人身和財產(chǎn)損失;不僅能夠為本車駕駛者進行安全預(yù)警提示，同時可提醒后車的駕駛者保持安全車距;可行性較強，具有較高的市場經(jīng)濟價值及較好的應(yīng)用前景.

［1］吳新燁，葛曉宏，黃紅武.高速公路汽車防追尾安全行駛研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(3):373－377.

［2］王 棟，李秀霞，甘 斌，菅琪琪，劉玉軍.基于RFID和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的車距監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)，2011(6):38－40+47.

［3］鄭安文.高速公路行車間距分析與防追尾裝置開發(fā)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報.2002(9):62－65.

［4］唐文杰.汽車安全車距的安全度評定系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(11):50－52.