張文科，王坤

(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東羅定，527200)

關(guān)鍵字：汽車防碰撞；單片機(jī)控制；超聲波傳感器

0 引言

本文采用微控制器為主要CPU 的控制檢測電路，設(shè)計(jì)了以電源模塊、單片機(jī)控制系統(tǒng)與收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、超聲波傳感器模塊、報警模塊等為主要組成部分的一種汽車防碰撞安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，研發(fā)了用于減少和預(yù)防交通事故發(fā)生的新型產(chǎn)品，產(chǎn)品價格廉價便宜，測量精度準(zhǔn)，適應(yīng)大眾客戶需求，安裝簡單，可以為人們在交通上帶來人身安全的保障，營造安全暢通的交通環(huán)境。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

該系統(tǒng)硬件由主控制器、電源模塊、顯示模塊及超聲波測距模塊等組成?？紤]到成本以及裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，主控制器采用AT89S51 控制芯片。為使單片機(jī)能正常工作，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)最小系統(tǒng)，外接有時鐘電路和復(fù)位電路等。由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，本文中采用12MHz 的晶體振蕩器作為振蕩源，電容容量采用30pF。復(fù)位電路采用按鍵式方式設(shè)計(jì)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST 也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機(jī)復(fù)位，可以用來處理系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況。

為了保證各個部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，AT89S51 使用直流5V 電源，因此需要設(shè)計(jì)車載電源模塊。LM2940-5 具有輸出電壓5V，輸出電流1A 時，最小輸入輸出電壓差小于0.8V，最大輸入電壓為26V，工作溫度-40～+125℃，內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用9V 干電池經(jīng)LM2940-5 穩(wěn)壓得到5V 直流電給單片機(jī)供電。

超聲波測距具有對色彩和光照度不敏感、對外界光線和電磁場不敏感等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境，具有識別透明及漫反射性差的物體（如玻璃、拋光體），并且超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、技術(shù)難度小、信息處理可靠、易于小型化和集成化。因此，本文采用HC-SR04 超聲波集成模塊作為主要的測距模塊。HC-SR04 超聲波測距模塊可提供2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm。該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，采用I0口TRIG 觸發(fā)測距，給至少10us 的高電平信號，模塊自動發(fā)送8 個40KHz 的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過I0 口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，其測試距離=高電平時間×聲速（340m/s）/2。

2 控制系統(tǒng)的軟件組成

系統(tǒng)硬件是這個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)則根據(jù)硬件和控制需求來制定。本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)分為兩個部分，主程序和子程序，能夠體現(xiàn)裝置的智能化以及減小硬件電路的體積，子程序包括超聲波發(fā)生子程序和超聲波測距子程序。主程序流程圖如圖1 所示。

圖1 控制主流程圖

主程序首先是對各功能模塊和控制參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16 位定時計(jì)數(shù)模式，置位中中斷允許位EA，然后，通過超聲波傳感器采集到的數(shù)據(jù)送給控制器進(jìn)行分析處理，實(shí)時顯示安全距離給駕駛員參考，當(dāng)遇到低于安全距離的時候，顯示裝置報警并閃爍提示駕駛員注意避讓。

本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計(jì)時，系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器，利用定時器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間，超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P3.5 端口發(fā)送一個10us 以上的脈沖觸發(fā)信號，超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確。

超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T 在某一時刻發(fā)出一個超聲信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間，當(dāng)收到超聲波反射波時，啟動定時器中斷，執(zhí)行計(jì)時子程序，讀取時間差，計(jì)算距離，最后調(diào)用顯示程序顯示距離。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

本系統(tǒng)由電源模塊、超聲波傳感器收發(fā)模塊、液晶顯示模塊、報警模塊、單片機(jī)控制制系統(tǒng)收發(fā)模塊、存儲模塊等組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

超聲波傳感器收發(fā)模塊可以實(shí)時檢測到前后方車輛的位置和車速，如圖3 所示。當(dāng)即將發(fā)生危險，達(dá)到安全距離警報時，單片機(jī)控制器通過接收超聲波傳感器檢測到的汽車前后方車輛的相對車速、相對距離及碰撞時間等重要參數(shù)，進(jìn)行分析、計(jì)算、處理等，立刻發(fā)送警報等信息給報警模塊，同時顯示模塊顯示相關(guān)速度、時間、距離等重要信息，提供給駕駛員參考，以便駕駛員立刻做出判斷，及時避免碰撞的發(fā)生。整個過程所產(chǎn)生的重要的數(shù)據(jù)保存在存儲模塊中，并通過單片機(jī)收發(fā)模塊及時發(fā)送給指揮中心，以便交通警察部門做數(shù)據(jù)參考以及進(jìn)一步分析等，該系統(tǒng)具有智能判斷可能出現(xiàn)的危險，通過聲、光或屏幕顯示等方式提醒駕駛員或后方車輛駕駛員注意安全，從而達(dá)到減少和預(yù)防交通事故的發(fā)生。

圖3 產(chǎn)品工作原理示意圖

為了驗(yàn)證產(chǎn)品的可行性，將設(shè)計(jì)制作的汽車防碰撞系統(tǒng)產(chǎn)品安裝在小車上進(jìn)行測試，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，該產(chǎn)品可以做到距離判斷、顯示、報警等全部功能。

4 小結(jié)

通過實(shí)際應(yīng)用，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品已經(jīng)安裝在小車上，可以做到實(shí)時監(jiān)測前后方車輛的速度、距離等基本信息，分析出相互碰撞時間，智能判斷出可能出現(xiàn)的危險，到達(dá)安全距離后可以顯示信息、報警等，及時提醒駕駛員時刻保持車與車之間的最小安全距離，如遇到后方有大貨車剎車，由于大貨車慣性比較大，可以根據(jù)當(dāng)時具體情況做出有效的解救措施，降低車禍發(fā)生概率，效果良好。同時本產(chǎn)品已經(jīng)與廣西某汽車有限公司合作，做進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。