【導(dǎo)讀】碰撞與超車側(cè)向碰撞事故這兩種類型最為常見。如果能夠在事故發(fā)生前提醒駕駛。本文在安全跟車模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)構(gòu)成，并給出了初步的設(shè)計(jì)方案。和測(cè)距子系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)，解決了系統(tǒng)功能所需要的關(guān)鍵技術(shù)。

　　

【正文】 3） RST： 輸入復(fù)位引腳 ， 開關(guān)觸發(fā)器結(jié)構(gòu) ， 低電平有效 ， 但通常稱 “高 “； （ 4） XIN， XOUT： 外部石英振蕩器輸入輸出引腳 ， 通常以 RC模式 ； （ 5） ： 輸入 /中斷 (開關(guān)觸發(fā) )， 具有啟動(dòng)功能 ， 且 為 嵌入式上拉 電阻觸發(fā) ； （ 6） ： 輸入引腳 ， 具有啟動(dòng)功能 ， 且 為 嵌入式 上拉 電阻觸發(fā) ； （ 7） ～ ： I/O 雙通道輸入輸出引腳 ， 具有保持啟動(dòng)功能 ， 且 為 嵌入式上拉電阻觸發(fā) ； （ 8） ～ ： I/O 雙通 道輸入輸出引腳 ， 且 為 嵌入式上拉電阻觸發(fā) ； （ 9） ～ ： I/O 雙通道輸入輸出引腳 ， TC1的輸出方式 PWM波特率和蜂鳴器功能 ， 且為嵌入式上拉電阻觸發(fā) ； 注 ： 本芯片最大特點(diǎn)就是 8bit的 TC模式和 buzzer驅(qū)動(dòng)功能 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 超聲波發(fā)送 包括超聲波信號(hào)的產(chǎn)生、多路選擇及換能器等組成。超聲波發(fā)送脈沖 如圖 22所示 。 40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由單片機(jī) PIC16C54的 RA2口送出 ， 其脈沖寬度及發(fā)送間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為 125～ 200μs， 即在一個(gè)調(diào)制脈沖包括5～ 8個(gè)方波 。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測(cè)量的最大距離及測(cè)量通道數(shù)。本系統(tǒng)有4路測(cè)距通道 ， 采用分時(shí)工作 ， 按后左、后右 (倒車時(shí) )和前左、前右 (前進(jìn)時(shí) )的順序循環(huán)測(cè)距。若在有效測(cè)距范圍內(nèi)有障礙物的話 ， 則在后一路超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)回的反射波 ， 否則認(rèn)為前一路無障礙物。因此按有效測(cè)距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時(shí)間。例如 ： 最大測(cè)距范圍為 2m時(shí) ， 脈沖間隔時(shí)間 t=2s/υ=22/340≈12 ms， 實(shí)際應(yīng)取 t≥12 ms。發(fā)送的超聲波脈沖經(jīng)多路選擇開關(guān) CD4052按序分別送到前左、前右、后左、后右 4路發(fā)送換能器上。 采用三極管 S8050驅(qū)動(dòng)升壓器 ， 以加大發(fā)射能力。 超聲波發(fā)送電路 如 圖 35所示 ： Y0Y2YY3Y1I N HV E EV S SV D DX2X1XX0X3ABU1C D 4 0 5 2S P E A K E RR A 1R A 0O S C 1O S C 2V D DV D DR B 7R B 6R B 5R B 4R A 2R A 3T O C K 1M C L RV S SV S SR B 0R B 1R B 2R B 3U2P I C 1 6 C 5 4S P E A K E RTT R A N S 1 2 2 0 u FC1C2C A PC3C A PYC R Y S T A LS 8 0 S 0N P N5 .1 R 3R41 K R 25 .1 R 1超聲波換能器M O T O R A CV C CG N DO U T+ 5 v+ 8 v+ 5 v4 .0 M H zRRS I G N A LS I G N A L倒車開關(guān)C C車速傳感器 圖 35 超聲波發(fā)送電路圖 工作原理 ： 單片機(jī) PIC16C54通過編程驅(qū)動(dòng)石英晶振產(chǎn)生一個(gè) 40kHz的超聲波脈沖信號(hào) ，經(jīng) U2的 RA2口傳遞 給多路選擇器 CD4052的 Y口 ， U1按 ： Y3， Y2， Y1， Y0順序選擇發(fā)送 ， 此脈沖信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)整形 ， 再由三極管 驅(qū)動(dòng)升壓 及變壓器耦合作用 ，最后超聲波換能器發(fā)送穩(wěn)定性較好的 40kHz脈沖信號(hào) 。 說明 ： （ 1） 電阻 R2： 能夠防止 三極管 因 過電壓 而導(dǎo)致的反向擊穿 ； （ 2） 電容 C1： 可以有效的濾除自 流 +8V電壓中的雜波成份 。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 超聲波接收 由接收換能器、多路選擇開關(guān)、放大及控制等電路組成。由于在距離較遠(yuǎn)的情況下 ， 聲的回波很弱 ， 因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也較小 ， 為此要求將信號(hào)放大十幾萬倍。系統(tǒng)采用多級(jí)放大 ， 由高速精密放大器 NE5532構(gòu)成 2級(jí)放大 ， 放大后的交流信號(hào)經(jīng)二極管 D電容 C三極管 T1， 將交流信號(hào)整形輸出一個(gè)方波信號(hào) ， 單片機(jī)以查詢方式檢測(cè)方波信號(hào) ， 停止時(shí)間計(jì)數(shù)器 ， 讀取計(jì)數(shù)值。 超聲波接收 電路如圖 36所示 ： D A T AY0Y2YY3Y1I N HV E EV S SV D DX2X1XX0X3ABU1C D 4 05 2S P E A K E RR A 1R A 0O S C 1O S C 2V D DV D DR B 7R B 6R B 5R B 4R A 2R A 3T O C K 1M C L RV S SV S SR B 0R B 1R B 2R B 3U2P I C 1 6C 54S P E A K E RC2C A PC3C A PC1C2C3C4C6C5 C7C9C8C 101N 50 8C 11YC R Y S T A LD1D3D2T1N P NT2R4R 18R 1923 K R 25. 5K R 110 K R 730 0 R 510 K R 815 0K R 41K R 974 0 R 1023 5K R 1110 K R 1 530 0K R 1446 8 R 1250 8 R 135. 1 R 1610 K R 1 7N E 5 53 2 N E 5 53 2超聲波換能器M O T O R A CV C C2. 2K R 6R3+ 5VG N DO U T+ 5v+ 5V+ 5v4. 0M H z 圖 36 超聲波接收電路圖 工作原理 ： 通過超聲波換能器接受返回信號(hào) ， 由于接 收信號(hào)太微弱 ， 先經(jīng)三極管初級(jí)放大 電路 提供 CD4052選通脈沖 ， 如圖 ： 若 X3有效 ， 則 X輸出選通信號(hào) ； 反之 ， X沒有輸出脈沖信號(hào) 。 X信號(hào)再經(jīng)差分電路提取直流 (基準(zhǔn) )成份與交流信號(hào)通過NE5532兩級(jí)的比較放大 ， 其中 NE5532還具有帶通選頻作用選擇 40kHz的有效脈沖信號(hào) ， 最后經(jīng)過檢波電路使交流脈沖整形成方波信號(hào)提供 RB4的高電平觸發(fā) 。 初級(jí)放大電路 組成 ： 由 R4， R5， D1， TI構(gòu)成初級(jí)放大電路 ， 且為多路選擇器 CD4052提供選通電壓 ， 使 X掛上 +5V電壓 ， 具體分析 ： （ 1） R5： 為了穩(wěn)定靜態(tài)電路的工 作點(diǎn) Q； （ 2） D1： 當(dāng)正向電壓時(shí) ， D不通 ， V處于放大區(qū) ， 觸發(fā) X3， 使 X掛上 +5V電壓 ； 當(dāng)反向電壓時(shí) ， D導(dǎo)通 ， V處于截止區(qū) ， X3無響應(yīng) ， 即 ： 半波直流作用 。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 帶通放大濾波電路 圖 37 帶通濾波電路 組成 ： 由 NE5532集成運(yùn)放 ， C5， C6， R11構(gòu)成帶通濾波 比較 放大電路 ， 具體分析 ： （ 1） R9， R10： 構(gòu)成分壓電路 ， 且輸出為交流正弦信號(hào) ； （ 2） C2， C3， R7， R8： 構(gòu)成差分電路 ， 提取了 X信號(hào)中的直流成分 (作為基準(zhǔn)信號(hào) )； （ 3） C7： 具有隔直 流 作用 ； （ 4） NE5532： 正 ， 負(fù)極輸入為交 流和直流信號(hào) ， 通過 NE5532進(jìn)行比較放大 ； 帶通濾波原理 ： 此電路為二階 有源 帶通濾波電路 ， 且由一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器組成 ， 即 ： NE5532， C6， R11構(gòu)成有源高通濾波電路 ， 截止頻率為 HW； NE5532， C5， R10構(gòu)成有源低通濾波電路 ， 截止頻率為 LW。 兩者串聯(lián)就組成了帶通濾波 電路 。 整形電路 圖 38 整形電路 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 組成 ： 由 D2， D3， R15， C10， C11， T2， R16構(gòu)成整形電路 ， 可使交流信號(hào)整形成方波信號(hào) ， 具體分析 ： （ 1） C10： 起到隔直濾波作用 ， 可以濾除干擾的雜波分量 ； （ 2） C11： 作用是儲(chǔ)存電荷容量 ， 為 T2提供觸發(fā)電壓 ； （ 3） D2， D3： 當(dāng)輸入正向電壓時(shí) ， D2導(dǎo)通 ， D3截止 ， C11儲(chǔ)存電荷 ， 經(jīng)過R15送電壓觸發(fā) T2， 提供導(dǎo)通電壓 ， R17給 T2送 +5V電壓 ； 當(dāng)輸入反向電壓時(shí) ，電容 C11給 D3， D2提供回路電壓 ， 經(jīng)過 R15送電壓 觸發(fā) T2， 提供導(dǎo)通電壓 ， R16給 PIC16C54的 RB4腳提供觸發(fā)信號(hào) 。 距離顯示驅(qū)動(dòng) 距離顯示片S W S P S T20 ufC A PC A PCCC A PC R Y S T A L黃L E D紅L E D紅L E D黃L E DQ5. 1RR音量開關(guān)R E S 2R S T 復(fù)位R E S 2R E S 2RRRD A T A+ 5VK1S W S P S TK2S W S P S T蜂鳴器S P E A K E R左方位 右方位p0 .1V D DV P P / V D DV S SP / I N TP P P P P P P P P R S TX I NX O U TP P P P P P P P P P P U4S N 8P 16 04 SS P E A K E RS 8 05 0 圖 39 距離顯示驅(qū)動(dòng) 組成 ： 由距離顯示片 ， 單片機(jī)控制芯片 SN8P1604S， 發(fā)光二極管 ， 蜂鳴器和控制開關(guān)構(gòu)成的距離顯示驅(qū)動(dòng)電路 ， 具體分析 ： （ 1） 顯示片 ： 是由兩位的七段碼顯示單元顯示 ， 其顯示由單片機(jī) SN8P1604S安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 的 ， 其顯示的數(shù)據(jù)由 DATA傳送 ； （ 2） 發(fā)光二極管 ： 左右方位的發(fā)光二極管分別代表著車的前左右和后左右顯示燈 ， 其顯示的驅(qū)動(dòng)是與超聲波發(fā)送單元 CD4052選擇通道是同步的 ； （ 3） 蜂鳴器 ： 是由 SN8P1604S的 ， 其發(fā)出的高電平信號(hào)經(jīng)三極管放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲 ， 且當(dāng) DATA數(shù)據(jù)超出了測(cè)距要求的范圍時(shí)才會(huì)有； （ 4） 控制開關(guān) ： 包括音量開關(guān)和復(fù)位開關(guān) ， 當(dāng)音量開關(guān)接通時(shí) ， 如有 DATA超出測(cè)距范圍音量才有效 ， 復(fù)位開關(guān)可以清零 DATA的數(shù)據(jù) ， 使顯示單元顯示為零 ； （ 5） SN8P1604S： 內(nèi)部時(shí)間周期是由外部的石英晶振驅(qū)動(dòng) ， 且石英晶振的振蕩頻率為 ， 為了與其同步 。 補(bǔ)充說明： 若增加溫度檢測(cè)， 可以結(jié)合溫度換算出的速度算出障礙物的距離， 可以補(bǔ)償溫度對(duì)聲速的影響。波速與溫度關(guān) 系見表 31： 表 31 波速與溫度關(guān)系 溫度 /℃ 20 10 0 10 20 30 100 波速 m/s 319 325 323 338 344 349 386 時(shí)間計(jì)測(cè) 超聲波從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間的測(cè)定是由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來完成的。在調(diào)試過程中出現(xiàn)的發(fā)送部分與接收部分的直接串?dāng)_問題 ， 是由于換能器的余震和部分聲波未經(jīng)障礙物就直接繞射到換能器上造成的。從發(fā)射開始一直到 “ 虛假反射波 ” 結(jié)束這段時(shí)間 ， 通過軟件延時(shí)避開 ， 從而不會(huì)處理虛假方波信號(hào) ， 可有效躲避干擾。但也會(huì)形成所謂的 “ 盲區(qū) ” ， 本系統(tǒng)的盲區(qū)約為 20 cm。 微機(jī)控制部分 由單片機(jī)根據(jù)倒車信號(hào)和車速信號(hào)來控制多路選擇開關(guān) ， 以決定后左、后右(倒車 )和前左、前右 (前進(jìn) ) 4個(gè)通道分時(shí)工作的順序。倒車時(shí)接通 后方通道 ， 行車速度低于 10 km/h接通前方通道 ， CD4052的 Y側(cè)選擇發(fā)送通道 ， X側(cè)選擇接收通道 ， 由 PIC16C54的 RB1和 RB2按順序發(fā)出通道選擇信號(hào) ， 接到 CD4052的 A、 B端 ，使 發(fā)送通道與接收通道一一對(duì)應(yīng)接通 。 由于受環(huán)境溫度以及超聲固有寬波束角等因素的影響 ， 超聲傳感器所測(cè)量的值與實(shí)際值總有一些誤差。本超聲測(cè)距系統(tǒng)采用曲線擬合的最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合 ， 使其精度達(dá)到 8 cm。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件分兩部分 ： 主機(jī)部分和顯示部分。主機(jī)程序完成系統(tǒng)初始化、選擇通道號(hào)、控制發(fā)射、接收超聲波和 計(jì)數(shù)器啟停、數(shù)據(jù)處理、傳送等。 流程圖如圖 41所示 ： 初 始 化設(shè) 置 計(jì) 數(shù) 器 方 式判 斷 工 作 狀 態(tài)選 擇 通 道啟 動(dòng) 計(jì) 數(shù) 器產(chǎn) 生 調(diào) 制 脈 沖盲 區(qū) 等 待查 詢 回 波 脈 沖停 止 計(jì) 數(shù) 器 記 錄 數(shù) 值發(fā) 送 數(shù) 據(jù)通 道 順 序 檢 測(cè) 完N 圖 41 程序流程框圖 主機(jī)和顯示部分采用自定義的通訊協(xié)議 ， 實(shí)現(xiàn)單線傳輸 ， 減化了主機(jī)與顯示單元的 連接。顯示單負(fù)責(zé)接受數(shù)據(jù) ， 在連續(xù) 2次接收到相同的數(shù)據(jù)碼 ， 將此數(shù)值顯示在數(shù)碼管。雙色發(fā)光二極管用來指示左右方位 ， 同時(shí)單片機(jī)根據(jù)數(shù)值大小發(fā)出不同的報(bào)警聲音。 串行數(shù)據(jù)格 式如圖 42所示 ： 圖 42 串行數(shù)據(jù)格 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用 PCI16C54 壓 電陶瓷傳感器，它的工作電壓是 40kHz 的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。 PUZEL： MOV 14H, 12H；超聲波發(fā)射持續(xù) 200ms HERE： CPL ；輸出 40kHz 方波 NOP ； NOP ； NOP ； DJNZ 14H， HERE； RET 前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī) 端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在 端口輸出一個(gè) 40kHz 的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管 T 放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭 PIC16C54，發(fā)出 40kHz 的脈沖超聲 波，且持續(xù)發(fā)射 200ms。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接 和 端口，工作原理與前方測(cè)距電路相同。 超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的 超聲波換能器 ，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器 NE5532A 和 NE5532B 兩極放大后加至PIC16C54。 PIC16C54 是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊 LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率 f0=1/，電容 C4 決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié) R8 在發(fā)射的載頻上，則 LM567 輸入信號(hào)大于 25mV，輸出端 8 腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。 前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) RB4 端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1端口，同時(shí)單片機(jī) 和 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。部分源程序如下： RECEIVE1： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX1 ；關(guān)外部中斷 1 JNB , RIGHT ； 引腳為 0,轉(zhuǎn)至右測(cè)距電路中斷服務(wù)程序 JNB , LEFT ； 引腳為 0,轉(zhuǎn)至左測(cè)距電路中斷服務(wù)程序 RETURN： SETB EX1；開外部中斷 1 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 5 誤差分析 本系統(tǒng)最大測(cè)距誤差在 8cm左右 ， 測(cè)距的盲區(qū)為 20cm。 測(cè)距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面 ： （ 1） 超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響 ； （ 2） 超聲波回波聲強(qiáng)弱與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系 ， 所以實(shí)際測(cè)量時(shí) ，不一定是第 1個(gè)回波的過零點(diǎn)觸 而產(chǎn)生的影響； （ 3） 超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。 穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件 ， 波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫 度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn) 生直接的影響 ，因此需對(duì)聲速加以修正。對(duì)于測(cè)距而言 ， 引起聲速變化的主要原因是媒質(zhì)溫度的變化 ， 可以采用聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測(cè)量結(jié)合的方法對(duì)聲速進(jìn)行修正 ， 可有效地消除溫度變化對(duì)精度的影響。影響測(cè)量誤差的因素很多 ， 還包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 總結(jié) 本設(shè)計(jì)硬件簡(jiǎn)單 ， 容易實(shí)現(xiàn) ， 測(cè)距范圍適中。測(cè)量誤差可以控制在 8cm左右。超聲測(cè)距系統(tǒng)顯示單元和數(shù)據(jù)采集相互獨(dú)立 ， 可以同時(shí)進(jìn)行 ， 保證了測(cè)距數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。 汽車要避撞就必須憑借一定的裝備測(cè)量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車，以在危 急的情況下，通過報(bào)警或自動(dòng)進(jìn)行某項(xiàng)預(yù)設(shè)定操作如緊急制動(dòng)等，來避免由于駕駛員疲勞、疏忽、錯(cuò)誤判斷所造成的交通事故。目前，大家都將防撞技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)著眼于車輛測(cè)距技術(shù)。 本系統(tǒng)的方法主要 就 是采用了超聲波測(cè)距的原理，從而實(shí)現(xiàn)了提前預(yù)測(cè)車距的目的。其實(shí)超