汽车的测速及倒车提示系统分析

汽车测速及倒车提示系统的分析摘要：本文主要介绍了汽车的测速及倒车系统电路原理分析。

该系统采用AT89S52单片机为控制核心，实现了转速检测及倒车测距等功能。

采用光电式轮速检测的方法进行汽车的转速检测，速度可通过按键进行调整分为快中慢三档；倒车系统主要采用超声波测距的原理进行汽车尾部与障碍物间距离的测量，在倒车时会有提示音，声音的大小也是可以调节的；同时检测的速度及倒车的距离均可通过数码管进行及时的显示。

关键字：AT89S52 CX20106A 光电耦合器1 绪论随着人们生活水平的不断提高，汽车已经成为生活中主导的交通工具，汽车产业蓬勃发展。

为保障汽车驾驶时的舒适性和安全性世界各国对汽车防撞技术的研究和发展投入了大量的人力、物力和财力，据统计，危机情况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30%，路面相关事故的50%，迎面撞车事故的60%，所以现在汽车安装各类测距系统以保障行车安全。

超声波测距是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

通过测距来发现障碍物，计算简单,方便迅速,易于做到实时控制，距离准确度达到工业实用的要求。

超声波测速雷达用于测距上，在某一时刻发出超声波信号，在遇到被测物体后的射回信号波，被倒车雷达接收到，得用在超声波信号从发射到接收回波信号这一个时间而计算出在介质中的传播速度，这就可以计算出探头与被探测到的物体的距离。

针对我国高速公路交通安全的需要，以及国内外汽车电子技术的应用现状和发展趋势，综合汽车电子技术、通讯技术和控制技术等多学科理论，从必要性、可行性、实用性和经济性等角度出发，提出开发研制汽车测速及倒车提示系统。

目的在于当行车处于高速及倒车状态时，提醒驾驶员或自动采用相应措施，从而减少或避免高速公路碰撞事故的发生。

2 设计方案要求2.1 功能及技术要求（1）测速范围。

测速范围分为四档：第一档速0—130cm/s，第二档速130—200cm/s，第三档速200—260cm/s，第四档速260—300cm/s。

（2）倒车测距范围。

该模拟系统的测量范围在2—3米之间。

当距离小于20cm时，电机自动停止，或者说在大于20cm时，也可以通过按键使电机停止。

（3）按键功能如表2-1所示。

表2-1 按键功能表（4）显示功能。

该系统具备显示功能，显示内容有正常运行的转速及倒车状态时障碍物与汽车尾部的距离，其显示精度为1cm。

2.2 测速及倒车提示系统设计方案论证2.2.1发射与接收模块方案一：采用后视摄像进行倒车这种方法可以获得障碍物的直观图像，但无法测得准确的距离；虽然其可靠性高但是价格较高，得不到普遍的推广使用；这种方法还存在一些其他的缺陷，如其在夜间会受到影响，无法重现图像，使其在晚间如同虚设，不仅如此，它还会受到天气的影响，在阴雨、雾雪天气，后视摄像这种方法同样起不到效果。

方案二：采用超声波倒车超声测距一般采用40KHz的脉冲信号。

常用有CX20106集成芯片，使用方便简单，只需在外围电路加常见的反向驱动集成块74LS04，使用起来效果很明显而且价格合理。

超声波测距虽然没有清晰的图像，但是其可以测得准确的距离，让使用者无论是在白天还是在晚上都能明确的了解到其后边的障碍物。

超声测距也存在缺点，就是对车后的路坑、山崖、凸出的某些障碍物无法感应。

在此设计属于模拟系统，所以采用方案二比较经济合理。

2.2.2 转速检测电路模块方案一：霍尔式轮速检测霍尔轮速传感器由磁钢、霍尔元件及电平转换电路组成，霍尔轮速传感器核心为霍尔元件,霍尔元件通过齿轮的运动输出mV级的准正弦波电压,选用UGN3019开关型集成霍尔元件,可实现将准正弦波电压转为标准脉冲电压。

霍尔轮速传感器输出的脉冲信号频率与转速成正比关系,对脉冲信号可采用多种方法进行处理分析。

开关型霍尔传感器尺寸小、工作电压范围宽，工作可靠，但是对于该模拟系统，不需要这么高精度的检测。

方案二：光电式轮速检测光电式轮速传感器由光源、转动圆盘、光敏元件及有关电路组成。

转动圆盘被安装在转轴上,转动圆盘边缘开有等距离的孔,光源发出的光通过圆盘小孔照射到光敏元件上。

当测速盘旋转切割光开关时,光敏检测元件输出一串脉冲信号,脉冲频率与转速成正比。

转速n与脉冲频率f关系为:n=60*f/p(r/min),其中p为圆盘开孔总数。

若取p=60,则f=n,即轮速传感器输出信号频率便是车轮每分(钟)转数。

通过以上分析采用方案二实现了高精度、宽范围的测量，比较符合要求。

2.2.3控制器方案一：采用PLC控制PLC控制有编程简单方便、硬件维护方便、可靠性高适用性强等优点，但是它最常见的是用来控制强电，而像这种12V以下的弱电控制就不适宜了，而且成本高。

方案二：采用单片机芯片控制该系统设计电路以AT89S52单片机为控制核心。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。

与AT89C51比AT89S52拥有3个定时计数器和支持在线编程,ISP在线编程功能优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是个强大易用的功能。

AT89S52的性能可以满足电路的要求，其市场上很普遍，价格便宜。

所以选择AT89S52为控制器的控制核心。

2.2.4 显示模块方案一：采用LCD液晶显示该模拟系统只需要对车速或倒车时的距离进行显示，若采用液晶显示，虽然不需要外接驱动电路，也不会占用单片机的I/O口，而且软件编写简单，节约了CPU资源，但是液晶显示增加了成本，对四位数据的显示根不需要这么浪费，所以这部分的显示，根据实际情况的需要用LCD液晶显示不合理。

方案二：数码管显示采用数码管显示，需要外加驱动电路，但是简单的三极管就可以驱动，所以外加的驱动电路并不复杂。

因为显示的内容简单，仅四位数字，对于I/O口的占用也不是很多，数码管价格便宜。

对该显示电路来说采用数码管显示很合理。

2.2.5 直流电机控制电路模块方案一：串电阻调速系统。

旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。

改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。

该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。

且技术落后，因此搁置不用。

方案二：静止可控整流器。

简称V-M系统。

V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。

它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。

V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。

最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。

方案三：脉宽调速系统。

采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。

当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。

脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。

脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。

脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。

本设计采用了可逆PWM变换器。

可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T 型等类型。

我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。

图2.1 测速及倒车提示原理方框图倒车检测-------- 超声波检测；转速检测-------- 光电式传感器检测；控制器 -------- AT89S52单片机；显示模块-------- 数码管显示；直流电机-------- 脉宽调速系统。

3 硬件电路的设计3.1 超声波测距电路（3）超声波探头---- T/R-40-18超声波测距常用的两种方法——强度法和反射时间法。

该模拟系统采用的是利用测量脉冲反射时间法，反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离的。

如图3.4所示：图3.4超声波测距原理示意图超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率的超声波探头多用于探测。

它有许多不同的结构，可分为直探头（纵波）、斜探头（纵波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

探头是一个电声换能器，并能将返回来的声波转换成电脉冲；控制超声波的传播方向和能量集中的程度，当改变探头入射角或改变超声波的扩散角时，可使声波的主要能量按不同的角度射入介质内部或改变声波的指向性，提高分辨率；实现波型转换；控制工作频率；适用于不同的工作条件。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片，构成晶片的材料、晶片大小不同则探头的性能也不同。

超声波传感器的主要性能指标有工作频率、工作温度、灵敏度。

基于这三点的考虑我选用的探头型号为T/R-40-18。

该超声波传感器分为发射和接收两种，发射器的型号为T-40-18，接收器的型号为R-40-18。

它们适用于以空气作为传播媒介的遥感发射、接收电路中使用。

T/R-40-18电气参数如表3-3所示:表3-3 T/R-40-18电气参数：项目电气参数声压电平> 115dB工作频率40KHz接收灵敏度最小值-67dB发送宽带最小值6/103dB接收宽带最小值6/-71dB（4）超声波测距算法超声波测距：超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。

这样只要测出发射和接收的时间差t，然后按式3.1即可求出距离：)(212t c s d ⨯⨯== （3.1） 式（3.1）中的d 为汽车尾部与障碍物间的距离、s 表示超声波发射与接收的距离、c 为超声波在空气中的传播速度、t 表示超声波行驶s 距离的时间。

在测距过程中，设超声波的声速为340m/s ，经计算可得超声波传播1cm 需要30us 。

又因为)(212t c s d ⨯⨯==，所以障碍物与车体的距离为1cm 时，超声波要传播2cm ，即定时时间为60us 。