張弛，顧平林

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 智能交通設(shè)計(jì)研究所，江蘇 南京 210017；2.南通理工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 南京 226001)

引起公路交通事故的主要原因之一是駕駛員不能對(duì)車輛之間的安全距離作出準(zhǔn)確判斷，尤其是大霧天或夜間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題緊急制動(dòng)時(shí)，車輛之間的距離已小于安全制動(dòng)距離，導(dǎo)致追尾事故。開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的汽車防追尾預(yù)警系統(tǒng)對(duì)降低交通事故發(fā)生率具有重要意義。

1 超聲波測(cè)距模型

常見(jiàn)的測(cè)距方法有超聲波測(cè)距、激光測(cè)距、CCD攝像系統(tǒng)測(cè)距及雷達(dá)測(cè)距等，這里采用超聲波測(cè)距方法。如圖1所示，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波接收器接收到反射波后即停止計(jì)時(shí)。根據(jù)超聲波發(fā)射和接收之間的時(shí)差按式(1)可計(jì)算出超聲波探頭與障礙物之間的距離S：

圖1 超聲波測(cè)距原理示意圖

S=C·T/2

(1)

式中：C為超聲波在空氣中傳播速度，C=340 m/s，C與溫度有關(guān)，如果測(cè)距精度要求高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償方法加以校正；T為超聲波從發(fā)射到接收所用時(shí)間。

設(shè)超聲波兩次發(fā)射-接收所用的時(shí)間分別為T(mén)1、T2，兩次發(fā)射-接收超聲波探頭與障礙物之間的距離分別為S1、S2，取第一次發(fā)射與第二次發(fā)射的時(shí)間間隔為1 s，將S1-S2定義為安全指示參數(shù)K，公式如下：

(2)

分別取高速公路安全距離180 m及行駛速度120 km/h、普通公路安全距離15 m及行駛速度30 km/h，設(shè)置表征車輛安全制動(dòng)距離和安全制動(dòng)行駛速度的安全系數(shù)W=安全距離/行駛速度，分別得到高速公路安全閾值W1=1.5、普通公路安全閾值W2=0.5。定義：高速公路上達(dá)到W1預(yù)警，黃燈亮；普通公路上達(dá)到W2緊急制動(dòng)，紅燈亮。

2 超聲波測(cè)速測(cè)距模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 超聲波信號(hào)發(fā)射

超聲波信號(hào)產(chǎn)生和發(fā)射電路由超聲波信號(hào)產(chǎn)生電路、超聲波信號(hào)控制電路兩部分組成，圖2為基于超聲波原理的發(fā)射裝置。

圖2 基于超聲波原理的發(fā)射裝置

(1) 超聲波信號(hào)產(chǎn)生電路——HC-SR04超聲波測(cè)距模塊。采用I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給予至少10 μs的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；如有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。該模塊使用方法簡(jiǎn)單，一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)10 μs以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一旦有輸出，便可開(kāi)啟定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)該口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)讀取定時(shí)器的值，由此計(jì)算出距離。

(2) 超聲波信號(hào)控制電路——555多諧振蕩器控制電路。超聲波發(fā)射電路通過(guò)555多諧振蕩器控制電路與外圍振蕩變阻器相連，可控制電路板，形成40 kHz多諧超聲波綜合控制電路元件。由555定時(shí)器和外接元件R6、R7、C構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6相連。電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。電路也不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)R6、R7向C充電及C通過(guò)R7向放電端DC放電使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在2/3VCC和1/3VCC之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列矩形波。

2.2 超聲波信號(hào)接收

采用CX2016A半導(dǎo)體集成電路模塊作為超聲波接收設(shè)備的集成電路模塊，超聲波接收探頭采用RCT40。CX2016A集成電路的端口設(shè)置較好，其主要作用是對(duì)接收到的超聲波進(jìn)行放大、濾波。

3 行車警示模塊電路設(shè)計(jì)

3.1 聲音-液晶顯示警示電路

聲音警示電路的工作原理：使用簡(jiǎn)單易懂的蜂鳴器對(duì)防止汽車追尾發(fā)音警示，蜂鳴器根據(jù)晶閘管端口輸入的電壓和頻率發(fā)出聲音。聲音警示電路見(jiàn)圖3。

圖3 聲音警示電路

選擇LCD1602液晶顯示器作為液晶顯示警示電路，顯示電路連接見(jiàn)圖4。VSS連接到電源開(kāi)關(guān)接地，電源線連接到電源開(kāi)關(guān)，D0～D7連接到控制器的I/O口，用于顯示綜合數(shù)據(jù)；BLA和BLK作為環(huán)境背光電源插頭的外部接口，連接到相應(yīng)的電源端口；V0連接一個(gè)10 kΩ電阻，由于大屏幕的對(duì)比度可調(diào)節(jié)，這個(gè)引腳的輸出電流越低大屏幕越亮。LCD液晶顯示器的最大優(yōu)點(diǎn)是顯示清楚，控制操作方便。由于控制器最大電流強(qiáng)度只有20 mA，在D0和D7之間連接一個(gè)10 kΩ上拉串聯(lián)電阻R，當(dāng)控制器引腳板總是顯示電平為低時(shí)，上拉串聯(lián)電阻R等于接地，同時(shí)控制器中相應(yīng)引腳顯示低電平。

圖4 顯示電路連接

3.2 控制電路

控制電路見(jiàn)圖5。采用安全系數(shù)W=安全距離/行駛速度進(jìn)行比較。單片機(jī)輸出高低電平，由DAC0808的A1～A8輸入；Pin 4腳輸出模擬信號(hào)，由運(yùn)算放大器AR1放大，推動(dòng)制動(dòng)器。剎車系數(shù)F越大，制動(dòng)強(qiáng)度越大，從而達(dá)到剎車的目的(見(jiàn)表1)。

圖5 控制電路

表1 控制信號(hào)、剎車系數(shù)與安全系數(shù)

4 防追尾超聲波探測(cè)模擬裝置

如圖6所示，防追尾超聲波探測(cè)模擬裝置主要包括超聲波測(cè)距、單片機(jī)控制及聲音-液晶顯示警示三部分。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速模擬汽車的行駛速度及加、減速。該裝置的處理器系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51，脈沖波從P3.0端口連續(xù)發(fā)射，為超聲波換能器提供動(dòng)力。超聲波計(jì)時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)算功能，記錄發(fā)射到接收所用時(shí)間T。當(dāng)超聲波接收器接收到超聲波能量時(shí)在接收電路的輸出端控制該信號(hào)的輸出，且不會(huì)在INT0端產(chǎn)生強(qiáng)迫中斷的強(qiáng)信號(hào)，從而得到時(shí)間差。

圖6 防追尾超聲波探測(cè)模擬裝置原理示意圖

圖7(a)為防追尾超聲波探測(cè)模擬裝置實(shí)物圖，該裝置主要包括HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、LCD1602液晶顯示器、AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、有源壓電蜂鳴器、ULN2003A大電流驅(qū)動(dòng)列陣、28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)及綠(正常行駛)、黃(預(yù)警)、紅(緊急制動(dòng))3個(gè)指示燈。電源通電時(shí)，該裝置可檢測(cè)正常行駛、預(yù)警及緊急制動(dòng)3種狀態(tài)，液晶顯示器上顯示安全距離wa、緊急制動(dòng)距離st、檢測(cè)到的實(shí)際距離distance3個(gè)參數(shù)。

設(shè)定安全距離wa=1 m、緊急制動(dòng)距離st=0.5 m進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖7(b)、(c)。圖7(b)中LCD1602液晶顯示器顯示檢測(cè)到的實(shí)際距離distance=43.2 cm

圖7 防追尾超聲波探測(cè)模擬裝置實(shí)物

5 結(jié)語(yǔ)

該文在構(gòu)建超聲波測(cè)距模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)速測(cè)距模塊電路和行車警示模塊電路，采用HC-SR04超聲波模塊、LCD1602液晶顯示器、AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、有源壓電蜂鳴器、ULN2003A大電流驅(qū)動(dòng)列陣、28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)等元件構(gòu)建防追尾超聲波探測(cè)模擬裝置，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)模擬汽車的行駛速度及加、減速，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車正常行駛、預(yù)警及緊急制動(dòng)3種狀態(tài)的判斷、警示、動(dòng)作。該防追尾超聲波探測(cè)模擬裝置可應(yīng)用于實(shí)車或教學(xué)儀器等場(chǎng)合。