朱恒偉，張琦

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

基于單片機(jī)的汽車剎車預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

朱恒偉，張琦

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

通過光電式傳感器測速、雷達(dá)測距來測量車輛的實時車速和前后車輛的距離，并將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行分析、計算。在汽車處于一定車速時，當(dāng)車距小于安全距離時，單片機(jī)就會控制車輛自動剎車，以保證車輛與前車處于安全車距。通過這樣的控制方式，來實現(xiàn)車輛的實時制動，使車輛處于安全情況。

光電式傳感器；雷達(dá)測距；單片機(jī)；安全距離

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.036

CLC NO.:U463.5Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-107-03

前言

近些年來，隨著道路擁擠和交通任務(wù)的日益繁重，汽車追尾和碰撞事故頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計，駕駛員如果能在短短的0.5s內(nèi)獲得預(yù)警提示就可以減少60%的追尾和50%的路面碰撞事故，駕駛員如果能在1s內(nèi)獲得預(yù)警提示則可以減少90%的道路事故[1]。在這種情況下，設(shè)計一款響應(yīng)迅速、控制精確的汽車自動剎車系統(tǒng)就顯得尤為重要。

而傳統(tǒng)的汽車防撞報警系統(tǒng)僅有防撞報警功能，過于單一，已經(jīng)不能滿足市場和顧客的需求，因此必須要在此基礎(chǔ)上得以拓展。汽車自動剎車系統(tǒng)在傳統(tǒng)的汽車防撞報警系統(tǒng)基礎(chǔ)上演變而來，它除了具有傳統(tǒng)的測距、報警功能之外，還具有了自動剎車的功能，可以更有效的防止汽車發(fā)生碰撞，減少傷害。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計

目前市場上已有的汽車防撞系統(tǒng)主要是通過紅外線、毫米波、超聲波、激光等方式來探測相對距離[2]。經(jīng)過多方面對比，考慮到本課題的實際意義與成本，最終選擇用超聲波測距方式作為本課題中距離測試的方式。

本系統(tǒng)利用單片機(jī)高速運算的能力，以及其可以對接收到的反射信號進(jìn)行快速處理，并準(zhǔn)確計算出兩車間的相對距離，然后將其與光電式傳感器檢測到的實時行車速度進(jìn)行綜合對比，實時準(zhǔn)確的判斷出車輛的行駛狀態(tài)是否安全。并將車輛的實時狀態(tài)顯示在液晶顯示器上，當(dāng)車輛處于不安全狀態(tài)時，系統(tǒng)會讓蜂鳴器工作，提示駕駛員采取制動，如報警后車速依舊沒有減小，此時系統(tǒng)會控制減速執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取強(qiáng)制制動，確保行車安全。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計框圖

本系統(tǒng)主要由超聲波測距模塊、速度測試模塊、12864顯示模塊、蜂鳴器報警模塊及減速執(zhí)行模塊構(gòu)成。

2、汽車剎車預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 HC-SRO4超聲波傳感器模塊介紹

超聲波測距模塊是汽車剎車預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，其基本原理是利用超聲波的反射原理，通過計算發(fā)出和接收超聲波的時間差來推算出障礙物的距離。

式中，S表示障礙物的距離，v表示超聲波的行進(jìn)速度，t表示發(fā)射與接收之間的時間差。并且超聲波作為一種聲波，其在空氣中行進(jìn)速度受到溫度影響，超聲波行進(jìn)速度與溫度的關(guān)系如表1所示。

表1 超聲波速度與溫度關(guān)系

HC-SR04超聲波測距模塊作為一種應(yīng)用較為廣泛的超聲波測距模塊，其測量精度可精確到毫米級，測量距離可以達(dá)到2cm-400cm。HC-SR04內(nèi)部由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和信號控制/處理電路組成。此模塊在工作工程中會根據(jù)情況自動發(fā)出8個40Khz的的方波信號，并自動檢測是否有信號返回，通過I0口的Trig口觸發(fā)，需要的高電平持續(xù)時間只是10us，如果有信號返回，則經(jīng)I0口的Echo口輸出一個高電平，高電平的持續(xù)時間就是超聲波發(fā)射與接收的時間差[3]。從而通過此時間差來實現(xiàn)超聲波測速。

表2 HC-SR04電氣參數(shù)

2.2 超聲波發(fā)射/接收電路

超聲波軟件仿真電路如圖2所示。圖中，T代表超聲波發(fā)射端的發(fā)射器，R代表超聲波接收端的接收器。CX20106A為超聲波信號處理芯片，是一個用于超聲波、紅外等信號處理的芯片。需要注意的是，該芯片的第5引腳在超聲波信號接收中的重要作用，第5引腳上外接的電阻的阻值直接決定著超聲波接收端所能接收到的超聲波信號頻率。例如，當(dāng)采用200K的電阻時，其所能接收的超聲波頻率為40KHz。

圖2 超聲波接收/發(fā)射電路

3、汽車剎車預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

在車輛行駛過程中，汽車剎車預(yù)警系統(tǒng)將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、對比，當(dāng)車輛處于危險狀況時，系統(tǒng)會首先發(fā)出警報提醒駕駛員采取制動，直到車輛處于安全行駛狀況，警報解除。若駕駛員未及時采取制動，當(dāng)車輛處于進(jìn)一步危險中時，系統(tǒng)在報警的同時會控制減速控制機(jī)構(gòu)實施自動制動，防止車輛發(fā)生事故。主流程圖如圖3所示。

圖3 主流程圖

圖4 距離檢測流程圖

當(dāng)車輛啟動之后，系統(tǒng)首先將AT89C52單片機(jī)、12864液晶顯示器初始化，然后系統(tǒng)的超聲波傳感器和速度傳感器就開始工作。在車輛行駛過程中，當(dāng)車輛前方出現(xiàn)障礙物時，超聲波傳感器將與前方障礙物的距離檢測后傳到單片機(jī)中，單片機(jī)將傳感器傳回的距離值與系統(tǒng)設(shè)定的距離S1（40cm）、S2（25cm）進(jìn)行比較。當(dāng)S2＜S＜S1時，車輛處于不安全狀態(tài)，系統(tǒng)會控制蜂鳴器報警；當(dāng)S＜S2時，系統(tǒng)會判定汽車處于危險狀態(tài)，系統(tǒng)在控制蜂鳴器報警的同時會控制制動系統(tǒng)采取制動。

在距離檢測程序中，首先系統(tǒng)將會關(guān)閉中斷，然后發(fā)射超聲波信號，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有回波信號之后，單片機(jī)會控制系統(tǒng)開啟中斷，并且啟動定時器，當(dāng)有測量結(jié)果之后，系統(tǒng)將會判斷測量是否成功并計算出距離。流程圖如圖4所示。

4、結(jié)論

相較于現(xiàn)有的汽車防撞系統(tǒng)，本設(shè)計在原有汽車防撞系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了自動剎車功能，更加有效的保證了車輛在行駛過程中的安全。設(shè)計通過超聲波傳感器對距離進(jìn)行探測，同時利用光電傳感器對車速進(jìn)行檢測，將車輛與前后障礙物的距離以及車速顯示在液晶顯示器上，可以隨時讓駕駛員了解到車輛的實時狀態(tài),達(dá)到了較好的實用效果。

[1]鄭旭琴.基于SPCE061A的車載DVD播放器設(shè)計與實現(xiàn)[J]微型計算機(jī)信息,2005.10：150-153.

[2]DSP在毫米波汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用.兵工自動化,2007（07）.

[3]蘇琳.基于HC-SR04的超聲波測距器的設(shè)計.科技信息,2012.

[4]吳文琳.汽車傳感器原理與檢修.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.1-205.

[5]潘新民.微型計算機(jī)控制技術(shù).北京.電子工業(yè)出版社,2011.1：143.

圖4 燃油系統(tǒng)示意

5、實車驗證

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化設(shè)計的效果，要用實車來驗證，主要目的是考察發(fā)動機(jī)能否達(dá)到額定功率及最大扭矩。

1）該輕卡在轉(zhuǎn)鼓試驗臺架上測試

發(fā)動機(jī)能達(dá)到額定工況，且溫度未超標(biāo)，合格。

2）車輛行駛狀態(tài)驗證

在3萬公里綜合道路試驗中，發(fā)動機(jī)動力性經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)良好，未發(fā)現(xiàn)異常。

6、結(jié)論

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，以技術(shù)可行為前提，有的放矢地對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)設(shè)計方案，通過實車驗證，證明匹配方案是完全可行的。這一匹配應(yīng)用旨在保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少開發(fā)風(fēng)險、降低制造成本和縮短開發(fā)周期，這符合廣大汽車用戶和汽車制造廠的期望。

參考文獻(xiàn)

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

Design of automotive brake warning system based on MCU

Zhu Hengwei, Zhang Qi
( Texas college of automotive engineering institute, Shandong Dezhou 253023 )

Abstruct: Based on the photoelectric sensor speed, radar ranging to measure real-time speed of the vehicle and the distance of the vehicle before and after, and carries on the analysis and calculation data into the microcontroller.When the car in a certain speed and the car distance is less than the safe distance, MCU can control the vehicle brake automatically, to ensure the safety in vehicle and the vehicle ahead in the distance. Through such control mode,to realize the automatic braking of the vehicle, the vehicle in a safe situation.

Photoelectric sensor; Radar ranging; MCU; Safe distance

U463.5

A

1671-7988(2017)02-107-03

朱恒偉，就讀于德州學(xué)院汽車工程學(xué)院。