基于单片机的汽车防撞报警系统设计说明

第1章 概 述 1.1 课题研究背景和意义 汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。随着交通运输向高密度发展，电子控制技术进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航方面。电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全性。汽车中应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。近年来汽车的自动调速系统[1]，汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统被人们广泛应用。 在过去20～30年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等[2]，以减轻汽车碰撞带来的危害。安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车乘车人员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。为预防撞车事故的发生，必须在提高汽车主动安全性方面下功夫。汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（如汽车、行人或其他障碍物）的距离与汽车本身的距离近而相对速度太高。为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车与前方物体之间要保持一定的距离。这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。 发展汽车防撞技术，对提高汽车智能化水平有重要意义[3]。据统计，危险境况时，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%。1秒钟的预警时间可防止90%的追尾碰撞和60%的迎头碰撞。理论上，汽车防撞装置可在任何天气、任何车速状态下探测出将要发生的危险情况并及时提醒司机及早采取措施或自动紧急制动[4]，避免严重事故发生。汽车防撞装置是借助于检测测技术监视汽车前方和后方的车辆、障碍物，并根据当时的距离自动判断是否达到危险距离[5]，及时向司机发出警告。

1.2 国外研究的现状 鉴于交通事故的不可预测性和不可绝对避免性，为了减少交通事故，优化交通秩序，利用计算机及信息技术来提高道路交通安全和效率已成为国外研究的热点。二十世纪八十年代以后展开的关于智能交通系统的研究[6]，被认为是解决各种交通问题的一个很好的途径。智能交通系统是将先进的信息技术[7]、通讯数据传输系统、电子控制系统以及计算机处理系统有效地应用于整个运输管理体系[8]，使人、车、路环境协调统一，从而建立一个全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统[9]。其中智能车辆系统涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域。视觉系统在智能车辆中起到环境探测和辨识作用[10]。与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大，单纯以当前的现实条件出发解决，容易导致系统实时性差[11]。根据计算车辆与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减少环境的不稳定性造成的测量误差[12]。在智能车辆领域，常用的还有雷达、激光、GPS等传感器。 利用信息感知、动态辨识、控制技术的方法提高安全性，是先进汽车控制与安全系统(AVCSS)的主要研究容[13].世界各大汽车公司都在开展这方面的研究与开发工作。日本各大汽车制造企业如丰田、日产、马自达、本田、三菱等公司致力于新型安全汽车技术研究开发，并取得了重要的进展。丰田汽车公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测[14]，当两车距离小于设定值时，系统将发出报警信号提醒本车驾驶员。日产汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的车距监测系统对跟车距离进行动态监测，当需要减速或制动时，用制动灯亮来提醒驾驶员，并及时监测驾驶员操纵驾驶踏板的踏踩状态，必要时使汽车的自动制动系统起作用降低车速，在最危险时刻自动制动。本田公司使用具有扇形激光束扫描的雷达传感器[15]，即使车辆在弯道行驶也能检测到本车与前方汽车或障碍物的距离降到设定值时，驾驶员仍未及时采取相应措施，便发出警告信号。三菱和日立公司在毫米波雷达防撞方面也做了大量的研究，其雷达中心频率主要选择60～61GHZ或76～77GHZ，探测距离为120m，尼桑公司为41LV-Z配备了自适应巡航控制系统[16]。 德国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究[17]，特别是奔驰、宝马等著名汽车生产厂商，其采用的雷达为调频毫米波雷(Frequency Modulation Continuous Wave)[18]，频段选择76~77GHZ。如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为150m，当测得的实际车间距离小于安全车间距离时，发出声光报警信号。该系统已经得到应用。 美国的汽车防碰撞技术已经相当先进，福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统的工作频率为24.725GHZ,探测距离约106m。仅探测本车道车辆的信息[19]，从而可避免旁车道上目标物的影响。戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够自动引发制动装置。戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示，车速以每小时32.18公里/小时的速度行驶，在距离障碍物2.54㎝的地方停下来。 近距离报警如倒车雷达现已蓬勃地车辆上安装使用，但国目前生产的中远距离测量普遍达不到要求，表现在最远测距距离近，测距误差大，远远不满足高速公路的安全车距离要求，需进一步研究。 1.3 超声波传感器原理 超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本设计中超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器[20]。它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶体和一个共振板[21]。当它的两级外加脉冲信号其频率等于压电晶体的固有振荡频率时，压电晶体片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶体片做振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器[22]。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能检测到的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器在其结构上稍有不同，使用时应看清器件上的标志[23]。 超声波测距的方法有很多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法[24]。本设计采用往返时间检测法测距[25]。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲[26]，其所经历的时间即往返时间。往返时间与超声波传播的路程的远近有关[27]。根据测试传输时间可以得出距离。 假设S为被测物体到测距仪之间的距离，测的的时间为t，超声波传播的速度为v表示。则有关系式：

2/vts (1-1)

在精度的要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(1-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

Tv607.04.331 (1-2)

中，T为实际温度单位为℃,V为超声波在介质中的传播速度单位为M/S。

表1-1 一些温度下的声速 温度 -30 -20 -10 0 10 20 30 声速 313 319 322 331 337 344 350 第2章 硬件简介 本设计采用以AT89S51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89S51芯片、时钟电路、复位电路、LED显示、超声波传感器5部分组成。 AT89S51单片机的时钟电路由18（XTAL1）管脚和19管脚的时钟端（XTAL2）组成。给单片机一定的周期。与12MHz的晶振Y1电容C9电容C10组成，采用片振荡方式。 复位电路采用简易的开关复位电路，主要由电阻R2，电容C7，开关K2组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端。

2.1 AT89S51单片机概述 AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机。片4KBytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。芯片集成了通用8位中央处理器和ISP FLASH 存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51具有如下特点：40个引脚，4K Bytes Flash 片程序存储器，128bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入、输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片时钟振荡器。 主要特性： • 8031 CPU与MCS-51 兼容 • 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) • 全静态工作：0Hz-33MHz • 三级程序存储器锁定 • 128*8位部RAM • 32条可编程I/O线 • 两个16位定时器/计数器 • 6个中断源 • 可编程串行通道 • 低功耗的闲置和掉电模式 • 片振荡器和时钟电路

2.1.1 AT89S51单片机功能特性概述 AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节部RAM，32