基于STC89C52的夜間行車預警系統的研究與設計

莫勝軍　陳明霞　吳世江　黎國達

摘 要 本文主要介紹一套具備預警防撞、會車輔助、行車導向輔助、車距保持等多功能的夜間行車的輔助系統的研究與設計。該系統在以智能小車作為仿真車的設計平臺進行研究與設計，采用STC89C52RC單片機微處理器作為中心控制器，以紅外避障傳感器、光電避障傳感器、超聲波測距避障傳感器等多種傳感器作為信號采集器，對行車環境監測。系統綜合自動分析輸入信號，然后控制器對智能小車電機進行驅動控制。并結合激光燈具設計作為輔助信號燈，以實現系統要求的多項安全功能。該系統以智能小車作為仿真車的平臺研究設計，與實際工程應用車輛存在一定的差距，但本文的設計研究可為實際的工程研究提供一個初步的設計理念與設計方案[1]。

關鍵詞 智能汽車、安全系統、預警防撞、夜間行車

中圖分類號 U4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0135-02

1 緒論

近年來，隨著汽車的增加，駕駛危險性也隨之增高。各種安全預警系統在此背景下應運而生。同時，隨著科技的發展帶來了安全預警系統的可靠性，復雜程度和種類都在增加。目前市場上較多的安全預警系統有行車防碰撞系統、車道保持系統、ACC自適應巡航系統、防疲勞駕駛預警系統、超車預警系統等等。種類繁多，安全性能也不錯，不過在價格上都是較為昂貴。一般都會在較為高價位的車輛上有配置。還有很多低價位車輛甚至貨車沒有安裝安全預警系統。在此背景下，設計一個簡易、低價位、可靠的安全預警系統很有必要。另一方面，針對于夜間行車的安全預警系統市場上也比較少，這方面是值得研究開發的。這正是本課題的目的所在[2]。

2 系統設計方案

本文研究的夜間行車預警系統的系統由超聲波測距傳感器、人體紅外傳感器、光電避障傳感器、測速編碼器作為信息采集部分。采集到的信息傳送給微型控制器STC89C52單片機，經過單片機處理控制L298N驅動器，實現停車、加減速、左右轉向功能，并通過數碼管顯示距離、速度信息。

本文研究設計的安全系統主要對車輛前方環境監測監控。根據該系統所需要達到的功能要求進行對各個模塊進行排布設計。超聲波傳感器模塊設計安裝在車輛正前方中間位置，用于對車輛正前方障礙物探測，為預警防撞和車距保持提供距離數據；小型人體感應模塊也安裝在車輛正前方中間位置，用于判斷車輛前方的人或動物，用于觸發緊急制動；光電傳感器其具有探測角度小，線性度高的特點，可模擬代替激光探測傳感器，將其設計安裝在車輛前方左右兩邊各一個，用于輔助超聲波傳感器檢測車輛前方的安全區域。并作為會車輔助的探測傳感器，使用傳感器手段檢測在會車時候是否有發生側碰撞的危險，彌補駕駛員在會車時受車燈干擾視覺不清的不足；使用一字激光燈來輔助駕駛員對車輛前方安全范圍識別，使用激光光線顯示出安全范圍邊界，為駕駛員提供可視信號，因此也設計安裝在車輛前方左右邊沿，如果是真實的車輛可以安裝在其后視鏡上，它的另一個作用還可以為對方車輛提供提示作用。激光燈為導向燈的設計代替模塊，它能夠讓駕駛者預判車輛行車軌跡、方向以及車輛寬度，在窄小道路或者進入門口的時候也有輔助作用。數碼管用于顯示數值，集成在控制器的電路板上。這就是整個系統在仿真車上的模塊安裝設計方案。

3 軟件設計

系統軟件的調試主要包括PWM調速、測速調試、閉環控制、超聲波測距等功能的調試實現，以及整個系統綜合調試。首先對各功能進行單獨的編程調試，檢驗編制設計的可行性。當各個功能單獨調試成功，再把各個功能設計成子程序的形式進行調試整合。

考慮到單片機內部定時器資源有限，系統設計采用了雙系統獨立工作相互配合的形式組合。為了更方便程序設計與調試。設計使用系統1進行信號采集，包括對超聲波測距、人體紅外避障和光電傳感器避障檢測采集。在后期如需添加其他傳感器，也可以在該系統中整合。系統1采集信號，計算判斷，然后給系統2輸送加減速、起停、左右轉彎指令。系統2接收系統1指令，進行控制PWM輸出，并對電機轉速采集反饋。兩系統分工合作，在系統1調整時候，不會影響系統2的工作，有利于程序的調整。

4 閉環調速

由直流動電機的工作特性方程是，轉矩特性方程是，可知電動機除了由電壓影響，還受到負載轉矩的影響，還有小車左右電機的機械結構存在差異，單純由PWM開環控制無法使左右電機速度相等，因此需要加入閉環調速控制，提高系統的可靠性、穩定性。閉環的控制框圖如圖1所示，給定速度值，經過一定的算法控制PWM的占空比輸出，然后通過編碼器測量電機輸出轉速進行反饋控制。

常用的控制算法有位式控制法、位置式PID算法、增量式PID算法。位式法控制簡單，但精度低，僅通過判斷輸出是否達標而控制是否給定輸出。位置式PID算法兼顧了歷史偏差的積累、當前偏差和最近兩次偏差的差值的情況進行對輸出給定控制。位置式PID算法的公式為：。當前偏差可反映系統當前情況是否達標；最近兩次偏差的差值可反映系統的趨向，如果差值為正說明輸出在偏離穩定值，如果差值為負說明輸出趨向穩定值。歷史偏差的累加表達的是一個積分效果，可決定系統穩定時為無差控制系統。位置式PID適用于給定值較為固定的系統，對于小車轉速給定值經常變化的情況不適用。精準的小車轉速控制常用增量式PID算法。增量式PID算法針對于給定值多變的情況，控制器輸出的是控制量的增量。經整理可得到公式：[3]。

5 結論

近年來，智能汽車的研究一直是國內外的一個研究熱門領域，汽車的發展和科技的發展，人們對于追求智能、安全的汽車需求強烈，所以智能汽車安全系統在目前具有廣闊的應用市場與研究價值[4]。

安全系統的設計與研究對于大學生來說也是一項極為具有挑戰性的設計課題。因為智能小車安全系統的設計研究包含了多個領域的理論知識與應用。本課題研究的夜間行車預警系統包含了單片機應用、傳感器技術與應用、控制工程的應用以及電機等多方面知識應用。

文章介紹了夜間行車預警系統的研究背景與價值，并分析了設計方案原理，之后分別介紹了系統的硬件模塊的應用原理與功能實現的程序調試。在做出系統的仿真車后進行了功能實現的實驗驗證。通過對實驗結果的分析，最終得到一個比較滿意的設計結果。從目前的實驗情況，本設計中的夜間行車預警系統達到預期的各項目標與要求。

參考文獻

[1]董濤，劉進英，蔣蘇.基于單片機的智能小車的設計與制作[J].連云港工貿高等職業技術學校，2009（2）：18.

[2]孫樂春.汽車安全系統現狀研究[J].山東工業技術，2014（19）：50.

[3]董宗祥，石紅瑞，楊杰.嵌入式智能小車測控系統的設計與實現[D].上海：東華大學，2010.

[4]宋曉琳，李詩福，馮廣剛.汽車主被動安全集成控制系統方案設計[J].長沙：湖南大學，2009.