【正文】 第1章 概 述 課題研究背景和意義汽車業(yè)與電子業(yè)是世界工業(yè)的兩大金字塔，隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越來廣泛，汽車電子化的程度越來越高。隨著交通運輸向高密度發(fā)展，電子控制技術(shù)進一步應(yīng)用于汽車的乘坐安全性和導(dǎo)航方面。電子技術(shù)在汽車安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了增強汽車的安全性。汽車中應(yīng)用的電子技術(shù)主要有：電子控制安全氣囊，智能記錄儀，雷達式距離報警器，中央控制門鎖，自動空調(diào)，自動車窗、車門、座椅、刮水器，車燈控制，電源控制以及充電器等。近年來汽車的自動調(diào)速系統(tǒng)[1]，汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測和自診斷系統(tǒng)以及汽車導(dǎo)航系統(tǒng)被人們廣泛應(yīng)用。在過去20～30年中，人們主要把精力集中于汽車的被動安全性方面，例如，在汽車的前部或后部安裝保險杠、在汽車外殼四周安裝某種彈性材料、在車內(nèi)相關(guān)部位安裝各種形式的安全帶及安全氣囊等等[2]，以減輕汽車碰撞帶來的危害。安裝防撞保險杠固然能在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無法消除對被撞物體的傷害；此外，車上安裝的安全氣囊系統(tǒng)，在發(fā)生車禍時不一定能有效地保護車內(nèi)乘車人員的安全。所有這些被動安全措施都不能從根本上解決汽車在行駛中發(fā)生碰撞造成的問題。為預(yù)防撞車事故的發(fā)生，必須在提高汽車主動安全性方面下功夫。汽車發(fā)生碰撞的主要原因是由于汽車距其前方物體（如汽車、行人或其他障礙物）的距離與汽車本身的距離近而相對速度太高。為了防止汽車與前方物體發(fā)生碰撞，汽車與前方物體之間要保持一定的距離。這樣就會大大提高汽車行駛的安全性，減少車禍的發(fā)生。發(fā)展汽車防撞技術(shù)，對提高汽車智能化水平有重要意義[3]。據(jù)統(tǒng)計，危險境況時，如果能給駕駛員半秒鐘的預(yù)處理時間，則可分別減少追尾事故的30%，路面相關(guān)事故的50%，迎面撞車事故的60%。1秒鐘的預(yù)警時間可防止90%的追尾碰撞和60%的迎頭碰撞。理論上，汽車防撞裝置可在任何天氣、任何車速狀態(tài)下探測出將要發(fā)生的危險情況并及時提醒司機及早采取措施或自動緊急制動[4]，避免嚴重事故發(fā)生。汽車防撞裝置是借助于檢測測技術(shù)監(jiān)視汽車前方和后方的車輛、障礙物，并根據(jù)當時的距離自動判斷是否達到危險距離[5]，及時向司機發(fā)出警告。 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀鑒于交通事故的不可預(yù)測性和不可絕對避免性，為了減少交通事故，優(yōu)化交通秩序，利用計算機及信息技術(shù)來提高道路交通安全和效率已成為國內(nèi)外研究的熱點。二十世紀八十年代以后展開的關(guān)于智能交通系統(tǒng)的研究[6]，被認為是解決各種交通問題的一個很好的途徑。智能交通系統(tǒng)是將先進的信息技術(shù)[7]、通訊數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)以及計算機處理系統(tǒng)有效地應(yīng)用于整個運輸管理體系[8]，使人、車、路環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而建立一個全方位發(fā)揮作用的實時、準確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)[9]。其中智能車輛系統(tǒng)涉及到計算機測量與控制、計算機視覺、傳感器數(shù)據(jù)融合、車輛工程等諸多領(lǐng)域。視覺系統(tǒng)在智能車輛中起到環(huán)境探測和辨識作用[10]。與其他傳感器相比，機器視覺具有檢測信息量大，單純以當前的現(xiàn)實條件出發(fā)解決，容易導(dǎo)致系統(tǒng)實時性差[11]。根據(jù)計算車輛與目標的相對位移，并用自適應(yīng)濾波對測量數(shù)據(jù)進行處理，以減少環(huán)境的不穩(wěn)定性造成的測量誤差[12]。在智能車輛領(lǐng)域，常用的還有雷達、激光、GPS等傳感器。利用信息感知、動態(tài)辨識、控制技術(shù)的方法提高安全性，是先進汽車控制與安全系統(tǒng)(AVCSS)的主要研究內(nèi)容[13].世界各大汽車公司都在開展這方面的研究與開發(fā)工作。日本各大汽車制造企業(yè)如豐田、日產(chǎn)、馬自達、本田、三菱等公司致力于新型安全汽車技術(shù)研究開發(fā)，并取得了重要的進展。豐田汽車公司使用毫米波雷達和CCD攝像機對本車的距離進行動態(tài)監(jiān)測[14]，當兩車距離小于設(shè)定值時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號提醒本車駕駛員。日產(chǎn)汽車公司使用緊急制動勸告系統(tǒng)，利用先進的車距監(jiān)測系統(tǒng)對跟車距離進行動態(tài)監(jiān)測，當需要減速或制動時，用制動燈亮來提醒駕駛員，并及時監(jiān)測駕駛員操縱駕駛踏板的踏踩狀態(tài)，必要時使汽車的自動制動系統(tǒng)起作用降低車速，在最危險時刻自動制動。本田公司使用具有扇形激光束掃描的雷達傳感器[15]，即使車輛在彎道行駛也能檢測到本車與前方汽車或障礙物的距離降到設(shè)定值時，駕駛員仍未及時采取相應(yīng)措施，便發(fā)出警告信號。三菱和日立公司在毫米波雷達防撞方面也做了大量的研究，其雷達中心頻率主要選擇60～61GHZ或76～77GHZ，探測距離為120m，尼桑公司為41LVZ配備了自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)[16]。德國和法國等歐洲國家也對毫米波雷達技術(shù)進行了研究[17]，特別是奔馳、寶馬等著名汽車生產(chǎn)廠商，其采用的雷達為調(diào)頻毫米波雷(Frequency Modulation Continuous Wave)[18]，頻段選擇76~77GHZ。如奔馳汽車公司和英國勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車防撞報警系統(tǒng)，探測距離為150m，當測得的實際車間距離小于安全車間距離時，發(fā)出聲光報警信號。該系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。美國的汽車防碰撞技術(shù)已經(jīng)相當先進，,探測距離約106m。僅探測本車道內(nèi)車輛的信息[19]，從而可避免旁車道上目標物的影響。戴姆勒克萊斯勒公司的防撞結(jié)構(gòu)主要是兩個測距儀和一個影像系統(tǒng)，她能夠測出安全距離，發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，計算機能夠自動引發(fā)制動裝置。戴姆勒克萊斯勒公司的實驗結(jié)果顯示，㎝的地方停下來。近距離報警如倒車雷達現(xiàn)已蓬勃地車輛上安裝使用，但國內(nèi)目前生產(chǎn)的中遠距離測量普遍達不到要求，表現(xiàn)在最遠測距距離近，測距誤差大，遠遠不滿足高速公路的安全車距離要求，需進一步研究。 超聲波傳感器原理超聲波傳感器分機械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本設(shè)計中超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器[20]。它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶體和一個共振板[21]。當它的兩級外加脈沖信號其頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率時，壓電晶體片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶體片做振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器[22]。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能檢測到的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)看清器件上的標志[23]。超聲波測距的方法有很多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法[24]。本設(shè)計采用往返時間檢測法測距[25]。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖[26]，其所經(jīng)歷的時間即往返時間。往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關(guān)[27]。根據(jù)測試傳輸時間可以得出距離。假設(shè)S為被測物體到測距儀之間的距離，測的的時間為t，超聲波傳播的速度為v表示。則有關(guān)系式： (11)在精度的要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(12)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 (12)中，T為實際溫度單位為℃,V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為M/S。表11 一些溫度下的聲速溫度3020100102030聲速313319322331337344350第2章 硬件簡介本設(shè)計采用以AT89S51單片機為核心芯片的電路來實現(xiàn)，主要由AT89S51芯片、時鐘電路、復(fù)位電路、LED顯示、超聲波傳感器5部分組成。AT89S51單片機的時鐘電路由18（XTAL1）管腳和19管腳的時鐘端（XTAL2）組成。給單片機一定的周期。與12MHz的晶振Y1電容C9電容C10組成，采用片內(nèi)振蕩方式。復(fù)位電路采用簡易的開關(guān)復(fù)位電路，主要由電阻R2，電容C7，開關(guān)K2組成，分別接至AT89C51的RST復(fù)位輸入端。 AT89S51單片機概述AT89S51 是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機。片內(nèi)4KBytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP FLASH 存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51具有如下特點：40個引腳，4K Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器，128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入、輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。主要特性： ? 8031 CPU與MCS51 兼容 ? 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) ? 全靜態(tài)工作：0Hz33MHz ? 三級程序存儲器保密鎖定 ? 128*8位內(nèi)部RAM ? 32條可編程I/O線 ? 兩個16位定時器/計數(shù)器 ? 6個中斷源 ? 可編程串行通道 ? 低功耗的閑置和掉電模式 ? 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 AT89S51單片機功能特性概述AT89S51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 AT89S51單片機引腳說明AT89S51單片機的主要管腳有：XTAL1(19管腳)和XTAL2(管18腳)為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd(9腳)為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。采用低電平復(fù)位。Vcc（40管腳）和Vss（20管腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。在本設(shè)計中用P0。0～。用p2端口(~)控制數(shù)碼管顯示的位選?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：各引腳在AT89S51單片機上的排列順