汽車防碰撞安全系統設計優化

張文科，王坤

(羅定職業技術學院，廣東羅定，527200)

關鍵字：汽車防碰撞；單片機控制；超聲波傳感器

0 引言

本文采用微控制器為主要CPU 的控制檢測電路，設計了以電源模塊、單片機控制系統與收發模塊、液晶顯示模塊、超聲波傳感器模塊、報警模塊等為主要組成部分的一種汽車防碰撞安全系統設計優化，研發了用于減少和預防交通事故發生的新型產品，產品價格廉價便宜，測量精度準，適應大眾客戶需求，安裝簡單，可以為人們在交通上帶來人身安全的保障，營造安全暢通的交通環境。

1 控制系統的硬件組成

該系統硬件由主控制器、電源模塊、顯示模塊及超聲波測距模塊等組成?？紤]到成本以及裝置的運行穩定性，主控制器采用AT89S51 控制芯片。為使單片機能正常工作，本設計采用單片機最小系統，外接有時鐘電路和復位電路等。由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，本文中采用12MHz 的晶體振蕩器作為振蕩源，電容容量采用30pF。復位電路采用按鍵式方式設計，當開關按下時電容被放電、RST 也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位，可以用來處理系統出現異常情況。

為了保證各個部件的正常工作，電源的供給是十分重要的，AT89S51 使用直流5V 電源，因此需要設計車載電源模塊。LM2940-5 具有輸出電壓5V，輸出電流1A 時，最小輸入輸出電壓差小于0.8V，最大輸入電壓為26V，工作溫度-40～+125℃，內含靜態電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路等優點，所以本設計采用9V 干電池經LM2940-5 穩壓得到5V 直流電給單片機供電。

超聲波測距具有對色彩和光照度不敏感、對外界光線和電磁場不敏感等優點，廣泛用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環境，具有識別透明及漫反射性差的物體（如玻璃、拋光體），并且超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、技術難度小、信息處理可靠、易于小型化和集成化。因此，本文采用HC-SR04 超聲波集成模塊作為主要的測距模塊。HC-SR04 超聲波測距模塊可提供2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm。該模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路，采用I0口TRIG 觸發測距，給至少10us 的高電平信號，模塊自動發送8 個40KHz 的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過I0 口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，其測試距離=高電平時間×聲速（340m/s）/2。

2 控制系統的軟件組成

系統硬件是這個系統的基礎，系統軟件結構則根據硬件和控制需求來制定。本設計的軟件系統分為兩個部分，主程序和子程序，能夠體現裝置的智能化以及減小硬件電路的體積，子程序包括超聲波發生子程序和超聲波測距子程序。主程序流程圖如圖1 所示。

圖1 控制主流程圖

主程序首先是對各功能模塊和控制參數進行初始化，設置定時器T0工作模式為16 位定時計數模式，置位中中斷允許位EA，然后，通過超聲波傳感器采集到的數據送給控制器進行分析處理，實時顯示安全距離給駕駛員參考，當遇到低于安全距離的時候，顯示裝置報警并閃爍提示駕駛員注意避讓。

本設計利用單片機控制超聲波的發射和對超聲波自發射至接收往返時間的計時，系統定時發射超聲波，在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間，超聲波發生子程序的作用是通過P3.5 端口發送一個10us 以上的脈沖觸發信號，超聲波發生子程序較簡單，但要求程序運行準確。

超聲波測距的原理為超聲波發生器T 在某一時刻發出一個超聲信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R 所接收到。這樣只要計算出從發出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可以計算出超聲波發生器與反射物體的距離。在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間，當收到超聲波反射波時，啟動定時器中斷，執行計時子程序，讀取時間差，計算距離，最后調用顯示程序顯示距離。

3 系統總體結構設計及工作原理

本系統由電源模塊、超聲波傳感器收發模塊、液晶顯示模塊、報警模塊、單片機控制制系統收發模塊、存儲模塊等組成，系統整體結構圖如圖2 所示。

圖2 系統總體結構

超聲波傳感器收發模塊可以實時檢測到前后方車輛的位置和車速，如圖3 所示。當即將發生危險，達到安全距離警報時，單片機控制器通過接收超聲波傳感器檢測到的汽車前后方車輛的相對車速、相對距離及碰撞時間等重要參數，進行分析、計算、處理等，立刻發送警報等信息給報警模塊，同時顯示模塊顯示相關速度、時間、距離等重要信息，提供給駕駛員參考，以便駕駛員立刻做出判斷，及時避免碰撞的發生。整個過程所產生的重要的數據保存在存儲模塊中，并通過單片機收發模塊及時發送給指揮中心，以便交通警察部門做數據參考以及進一步分析等，該系統具有智能判斷可能出現的危險，通過聲、光或屏幕顯示等方式提醒駕駛員或后方車輛駕駛員注意安全，從而達到減少和預防交通事故的發生。

圖3 產品工作原理示意圖

為了驗證產品的可行性，將設計制作的汽車防碰撞系統產品安裝在小車上進行測試，經過多次試驗驗證，該產品可以做到距離判斷、顯示、報警等全部功能。

4 小結

通過實際應用，本設計產品已經安裝在小車上，可以做到實時監測前后方車輛的速度、距離等基本信息，分析出相互碰撞時間，智能判斷出可能出現的危險，到達安全距離后可以顯示信息、報警等，及時提醒駕駛員時刻保持車與車之間的最小安全距離，如遇到后方有大貨車剎車，由于大貨車慣性比較大，可以根據當時具體情況做出有效的解救措施，降低車禍發生概率，效果良好。同時本產品已經與廣西某汽車有限公司合作，做進一步的推廣應用。