【正文】 成的死亡人數(shù)、受傷人數(shù)分別占到了總數(shù)的 %和 %。 2021年 ， 全國(guó)共發(fā)生道路交通事故 378781 起，比上年下降 %。 2021年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故 327209 起，造成 81649 人死亡、 380442 人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失 12億元。雖然近兩年有所下降，但是總體數(shù)目還是觸目驚心。所以研究智能汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)刻不容緩。完善道路交通安全設(shè)施，健全道路交通法規(guī)，加強(qiáng)道路交通安全管理，以及提高交通參與者的安全意識(shí)等措施雖然也能夠改善交通安全狀況，但防患于未然的主動(dòng)安全措施則無(wú)疑是最好的安全措施，方能真正的治理交通安全 問(wèn)題。該裝置具有將單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及數(shù)據(jù)處理功能，與超聲波的測(cè)距技術(shù)、傳感器技術(shù)相結(jié)合，可檢測(cè)汽車(chē)運(yùn)行中后方障礙物與汽車(chē)的距離及汽車(chē)車(chē)速，通過(guò)數(shù)顯裝置顯示距離，并由發(fā)聲電路根據(jù)距離遠(yuǎn)近情況發(fā)出警告聲。 本文研究的汽車(chē)防撞控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，它通過(guò)超聲波對(duì)車(chē)輛行駛過(guò) 程中的各種對(duì)車(chē)輛有危險(xiǎn)的障礙物進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)控制單元對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)碰撞做出相應(yīng)的判斷并實(shí)長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 施報(bào)警，以幫助駕駛員處理行駛過(guò)程中所遇到的危險(xiǎn)碰撞問(wèn)題。確保了防撞控制的可靠性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的距離測(cè)量 裝置安裝到了汽車(chē)上，先后出現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)、激光雷達(dá)、紅外線及超聲波等測(cè)距方式，這些傳感器均可對(duì)周邊的環(huán)境進(jìn)行非接觸探測(cè)，以獲取周邊其他車(chē)輛或障礙物的距離、速度等信息。 ]7[ 1） 機(jī)器視覺(jué) 測(cè)距用視頻成像系統(tǒng)是以 CCD(Charge Coupled Device 電荷耦合器件 )攝像機(jī)觀測(cè)物體移動(dòng)為基礎(chǔ)的。通常物體上需要有給圖象處理軟件提供物體行蹤的可視條 (如白色十字 )。它主要的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)范圍廣、檢測(cè)信息量大、能夠遙測(cè)等，但是計(jì)算量大、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，易受環(huán)境、氣候影響、無(wú)法獲得深度信息。由于成本高，對(duì)外界環(huán)境敏感，故在許多場(chǎng)合都不可能采用此項(xiàng)技術(shù)。脈沖式激光雷達(dá)采用短的、大功率紅外光脈沖，根據(jù)光脈沖所需的傳播時(shí)間確 定被測(cè)距離。脈沖激光雷達(dá)信號(hào)處理比較容易，其應(yīng)用也最為普遍。激光雷達(dá)量程大、方向強(qiáng)且響應(yīng)時(shí)間快，但成本高，易受外界環(huán)境 (如能見(jiàn)度低、傳感器表面有泥土等 )影響。 3） 紅外線 紅外線對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，體積小，重量輕，功耗低。響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使駕駛員得到的提前報(bào)警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車(chē)輛碰撞報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用。 紅外線測(cè)距跟其它長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 測(cè)距原理相同，都是根據(jù)發(fā)射波和反射波的總時(shí)間來(lái)確定障礙物的距離的，相比之下，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)距系統(tǒng)的成本也比較低廉。 本文開(kāi)發(fā)的是適應(yīng)能力強(qiáng)，能受到大眾普遍接受的智能汽車(chē)防撞報(bào) 警系統(tǒng)，考慮到高速公路上霧天和雨天發(fā)生的交通事故比較多，所選用的距離傳感器必須在雨天、霧天和晴天都能夠全天候的工作。超聲波是指頻率在 20kHz以上的機(jī)械振動(dòng)波，它是針對(duì)障礙物測(cè)距的特殊要求而發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)距方法。測(cè)量發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖至接收到反射信號(hào)所用的時(shí)間間隔，便可簡(jiǎn)單地估計(jì)出被測(cè)物體的距離。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。所以用超聲波測(cè)距完全符合我們的要求。在整個(gè)系統(tǒng)中精確地測(cè)量汽車(chē)的轉(zhuǎn)速是提高系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。根據(jù)不同類(lèi)型轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)大小的不同，可以采用不同方法將結(jié)果給單片機(jī)。模擬式采用測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)元件，得到的信號(hào)是模擬電壓量 。由于此系統(tǒng)的車(chē)速傳感器的工作條件十分惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱源、汽油、水、電火花放射以及其它的電磁波形成的電氣環(huán)境較差，光電式 、光碼器、圓光柵易受到干擾，穩(wěn)定性變差。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 霍爾集成元件作為傳感器具有精度高、靈敏度高、線性度好、體積小、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、無(wú)觸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故其測(cè)量變速器的轉(zhuǎn)速是合適的。根據(jù)霍爾效應(yīng)，在控制電流恒定條件下，當(dāng)傳感器輸入軸上的每個(gè)磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾感應(yīng)元件時(shí)，由于改變了磁通密度，便輸出一個(gè)脈沖信號(hào) ，將變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖序列。單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后，可得到變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)以AT89C2051 作為系統(tǒng)的主要控制單元，完成對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理。 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 本系統(tǒng)采用單片機(jī)通過(guò)計(jì)算測(cè)量模型提醒報(bào)警距離與實(shí)測(cè)距離進(jìn)行 比較，當(dāng)實(shí)測(cè)距離值小于報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警 。在這兩種情況下，同時(shí)顯示屏顯示自車(chē)與前方障礙物的距離和自車(chē)的速度。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎時(shí)，頻繁的報(bào)警會(huì)引起駕駛員的厭煩 。已采取制動(dòng)時(shí)，事故的可能性己大大地減少，出現(xiàn)惡性事故的可能性更小，因而上述三種情況應(yīng)抑制報(bào)警。 在每個(gè)測(cè)量周期中， 單片機(jī) 根據(jù) 設(shè)置的輸入信號(hào)處理參數(shù)值 ，評(píng)估每次測(cè)量是否合理，有問(wèn)題的測(cè)量結(jié)果將被剔除，并用上一次周期的測(cè)量結(jié)果替代，在每一次測(cè)量周期結(jié)束后，CPU處于等待狀態(tài)直至下一個(gè)測(cè)量周期的到來(lái)。 系統(tǒng)檢測(cè)距離的原理是通過(guò)單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的方波串后，檢測(cè)接收端是否接收遇障礙物反射的回波，同時(shí)利用單片機(jī)計(jì)算出收到回波所用的時(shí)間 t 和確定超聲波在空 中 傳播的速度 v 。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地測(cè)出障礙物到汽車(chē)的距離，盡量減少誤差，采取算法為：兩對(duì)超聲波收發(fā)傳感器分別安裝在車(chē)前，兩者相隔 ，如圖 22 所示， A 、 B 分別代表兩對(duì)超聲波收發(fā)器， AB = 假設(shè) F 代表障礙物，聲波的傳播速為 v ，由于聲波傳播是來(lái)回反射的，則 2 2tAF v?? ， 1 2tBF v?? ，也就是只要把時(shí)間 1t 與 2t 確定下來(lái)就可以計(jì)算出 BF 與AF ， 然 后 利 用 海 倫 公 式 ， 設(shè) ()2A F B F A BL ??? ， 有( ) ( ) ( )S L L A F L B F L A B? ? ? ?，這就可以求出 ABF? 的面積為 S ，則 2SEF AB? 其中 EF 就是 汽車(chē)前方與障礙物之間的距離。例如利用超聲波技術(shù)的自動(dòng)測(cè)距照相機(jī)、建筑上使用的手持式墻面測(cè)距儀。由于這樣的儀器功能不強(qiáng)，現(xiàn)在已逐漸淡出人們的生產(chǎn)生活中。有了微處理器不僅使測(cè)距的精度大為提高，而且為超聲波測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟更大的空間。但有些場(chǎng)合，只裝備單個(gè)傳感器系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足人們的需要了，于是就有了多個(gè)傳感器組成的列陣。國(guó)內(nèi)的科研單位也在進(jìn)行這方面的科研工作。而這些系統(tǒng)大多是為自主移動(dòng)機(jī)器人而開(kāi)發(fā)的。 超聲波測(cè)距的工作方式 大慶石油學(xué)院碩士研究生學(xué)位論文超聲波發(fā)生器主要包括兩大類(lèi)，一是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型；另一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生，包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛。 超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 圖 31 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。發(fā)射超聲波時(shí)，壓電傳感器中的壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生共振，并帶動(dòng) 共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。 ]11[ 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的原理是，通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差 T ，然后求出距離 2/TCS ?? ，其中， C 為超聲波波速。 ]8[ 在超聲波測(cè)距中，雖然可以通過(guò)分析波形頻率、相位等特征通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)得到要測(cè)量的距離值，但更為一般的是通過(guò)分析發(fā)射波與回波的時(shí)間差來(lái)獲取距離值，這也就是一般所說(shuō)的聲納原理。 換能晶片在系統(tǒng)控制單元送出的 40 KHz信號(hào)起振，推動(dòng)空氣發(fā)出超聲波，超聲波能在固體、液體和氣體類(lèi)的彈性介質(zhì)中傳播，因而具有不怕雨、水和塵等，能在空氣中穩(wěn)定傳播，且不易受外界聲音的干擾等特性。 在超聲波傳感器發(fā)出的聲波碰到障礙物后反射到換能晶片，在壓電反應(yīng)下產(chǎn)生一振蕩電壓送運(yùn)算放大器電路進(jìn)行運(yùn)算放大并整形后送主機(jī)控制單元，主機(jī)根據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)的時(shí)間差及相應(yīng)的那個(gè) US回波，就能得出距離。 對(duì)上式進(jìn)行全微分，得到如下關(guān)系式： 12S ? ? ?（ t v+v t）]7[ 由此可以知道，由于速率的變化或者測(cè)量誤差、時(shí)間的測(cè)量誤差都會(huì)給所測(cè) 得的距離帶來(lái)誤差，其中， ?tv是由于速率的變化引起的誤差，而 ?vt則是由于計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確引起的誤差。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，單片機(jī)是主要的智能單元，控制方案通過(guò) 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)參數(shù)。 單片機(jī)的選擇 ]1[ 單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集器的核心，因此單片機(jī)的選型很重要。從 1980 年以來(lái)， Intel 公司在 MCS48 系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上又推出了MCS518 位的高檔單片機(jī)以及今天的 MCS96 系列及各種 CMOS 系列，使單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善。目前世界各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的 4位、 8 位、 16 位、 32 位通用型以及衍生出的五花 /又門(mén)的系列及型號(hào)，使單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用己達(dá)到了無(wú)孔不入的地步。目前世界各生產(chǎn)單片機(jī)的公司都在努力提高時(shí)鐘頻率，以提高單片機(jī)速度；精簡(jiǎn)指令，采用多級(jí)流水線操作方式以提高指令的執(zhí)行速度，擴(kuò)大尋址能力 。面向應(yīng)用對(duì)象的多功能多品種的增強(qiáng)型單片機(jī)將不斷出現(xiàn)。充分運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部資源，對(duì)汽車(chē)的轉(zhuǎn)速、顯示和串口通信進(jìn)行了研究。工作電壓范圍 ～ ，工作頻率取 12MHz。 AT89C2051明細(xì)如圖 41 所示。 P1口引腳 ～ 。 (AIN0)和反相輸入（ AIN1)。當(dāng) P1 口引腳寫(xiě)入 “1” 時(shí)，其可用作輸入端。 P1口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào) 并且它作為通用 I/O引腳而不可訪問(wèn)。當(dāng) P3口引腳寫(xiě)入 “1” 時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。 此外 P3 口還用于實(shí)現(xiàn)AT89C2051 的功能 ： ： RXD(串行輸入端口 ) 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 ： TXD(串行輸出端口 ) ： INT0(外中斷 0) ： INT1(外中斷 1) ： TO(定時(shí)器 0外部輸入 ) ： T1(定時(shí)器 1外部輸入 ) 5. XTAL1：作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 從上述引腳說(shuō)明可看出， AT89C2051 沒(méi)有提供外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器與 I/O 設(shè)備所需的地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)，因此利用 AT89C2051 構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不能在 AT89C2051 之外擴(kuò)展存儲(chǔ)器或 I/O 設(shè)備，也即 AT89C2051 本身即構(gòu)成了最小單片機(jī)系統(tǒng)。一般設(shè)計(jì)原則是簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)(采用功能較強(qiáng)的芯片以簡(jiǎn)化電路，增強(qiáng)可靠 性 )。以軟代硬 (在速度允許的條件下，能用軟件的盡量不用硬件 )，如用軟件低通濾波代替硬件低通濾波，用軟件中斷代替硬件中斷等。在硬件電路的基礎(chǔ)上，高質(zhì)量的軟件可使系統(tǒng)的性能大大地提高，其中包含 :中斷控制、定時(shí)、顯示、數(shù)碼轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)采集、處理、輸出等程序。較多的使用軟件來(lái)完成一些功能，則可以降低成本，簡(jiǎn)化電路，但是增加了編程的工作量。 ]11[ 系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射電路由 NE555 時(shí)基電路和超聲波發(fā)射探頭組成。利用超聲波測(cè)距具有以下特點(diǎn)：測(cè)量靈敏度高，穿透力強(qiáng)，測(cè)量速度快，測(cè)量角度大，可對(duì)較大范圍內(nèi)的物體進(jìn)行檢測(cè)。 ]18[ 長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 T R I G2OUT3R S T4C V O L T5T H R6D I S C7V C C8GND1U1N E 55 5V C C224C4C2103C1103104C 11224C322μC 22510R2V C CV C C3 2U 2AC D 40 49 U B / F P5 4C D 40 49 U B / F P7 6C D 40 49 U B / F P9 10C D 40 49 U B / F P14 15C D 40 49 U B / F P11 12C D 40 49 U B / F PP L U S _E NU S 1S up e r S ou nd _112W A V EW A V EU 2BU 2CU 2DU 2EU 2F18KR1R3160KR 19 圖 42 超聲波發(fā)射電路原理圖 用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40KHz 的方波由一片 NE555 搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的 PLUS_EN 信號(hào) （即 AT89C2051 的 引腳） ； 40KHz 的方波經(jīng) CD4049（驅(qū)動(dòng)功能的反相器） 調(diào)理后，成為振幅 18V 的方波，提高發(fā)射功率。由障礙物反射回來(lái)的超聲波經(jīng)接收探頭，變換為電脈沖信號(hào)，再 由放大器、整形器放大和整形后送入到單片機(jī) AT89C2051的 引腳。其原理圖如圖 43 所示 。經(jīng)放大后的波形送入， LM311 比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波 形成為方波，可送給長(zhǎng)春工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 AT89C2051 的 。 一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有 5cm 的距離 。 門(mén)控電路（ RS 觸發(fā)器）設(shè)計(jì) ]6[