基于单片机的汽车防碰撞系统研究

基于单片机的汽车防碰撞系统研究

摘 要：随着国家经济发展，我国汽车拥有者的数量大大提高，汽车给人们的出行带来了巨大的便利。在带来便利的同时，交通事故发生的频率也大大上升，为了减少交通事故的发生，我们用单片机对汽车的防碰撞系统进行研究。本文将介绍汽车防碰撞系统的基本原理及测距系统的特点和应用。

关键词：单片机；防碰撞；测距

Abstract:With the development of the national economy, the number of China’scar ownership isgreatly improved, the automobile has broughtgreat convenience to people’s travel.In the convenience,trafficaccident frequencyis greatlyincreased,in order toreduce the occurrence of traffic accidents,we useMCUanti-collisionsystem forautomotiveresearch.This paper will introduce thecharacteristics andapplication of the basic principlesandmeasuring systemfor automobile collision avoidancesystem.

Keywords:single chip microcomputer;anti-collision; ranging

随着社会经济的发展，汽车已经成为了主流的出行工具，给大家的出行带来很多的便利，然而同时汽车也给大家的生活带来了更多隐患，大量交通事故的发生造成了严重的生命财产损失。社会的发展也带动了科技的进步，而科技总会给人们的生活带来更多的福利，如何利用现有的科技手段有效的减少交通事故的发生也称为了人们热议的话题。对汽车交通事故的研究表明，70%~90%以上的车祸是由于驾驶员反应不及时造成的，有65%的车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。因此，及时给驾驶员发生碰撞的声光信息提示会大大减少车辆碰撞的几率，这就要求汽车上搭载一种能自动检测距离的装置。车辆防碰撞系统能够在事故发生前提醒驾驶员，使驾驶员有足够时间采取安全措施，从而达到安全行驶。而超声波是一种特殊的声波，为直线传播方式，频率越低，绕射能力越弱，反射能力越强，利用超声波的这诸多特性，本研究采用超声波检测芯片来实现防碰撞预警功能。

1 汽车防碰撞系统硬件设计

根据实际设计的需要和产品性价比，选用AT89C51单片机进行此次研究。AT89C51是一个单片机，即一个微处理器，AT89C51带有4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。汽车防碰撞系统主要由超声波发射器、单片机CPU控制、测温装置、报警装置、液晶显示装置等接口部分组成。

系统检测距离的原理是通过单片机发出40kHz的方波串后，检测接收端是否接收遇障碍物反射的回波, 同时利用单片机计算出收到回波所用的时间t 和确定超声波所处温度下空气传播的速度C，则障碍物到汽车尾部距离为C×t/2，根据测出来的相应距离，通过CPU计算后判断作出报警响应、液晶显示等相应的控制。本次研究根据实时动态收集到的数据对距离、时间等作出计算并进行响应。硬件系统设计图如下图1所示。系统由超声波发射器、超声波接收器、核心功能芯片、温测装置、LCD显示器和报警响应装置构成。

图1系统硬件设计图

1.1超声波测距原理

超声波是作为一种特殊的声波，同样具有声波传播的基本物理特性，如反射、折射、干涉、衍射等，超声波测距即利用其反射特性。由于超声波具有非常短的波长，可以聚集成狭小的发射线束，呈束状直线传播，其传播具有方向性。超声波在空气中的传播速度为340m/s,但其传播速度随介质温度的上升而加快，气温增加一度，声速增加0.6m/s。

本系统中，超声波测距采用的方法是检测超声波往返的时间：由于时间长度与声音通过的距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲波时，记时开始，当超声波接收到第一个回波脉冲后，记时立即停止，此时，记录得到的时间值为 t，那么从超声波发射位置到障碍物之间的实际距离S就是：

S = C×t/2(1)

式中C为超声波的传播速度，由于超声波的波速与温度有关，表1列出了几种不同温度下的波速。在使用中，如果温度变化不大，则可以认为波速是基本上不变的。一般情况下，超声波的波速可以近似于声音在空气中的传播速度，即C=340m/s。

声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。另外经过分析可知，频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最高，因此通常将发送的超声波调制到40kHz左右。该测距系统的结构框图如图2所示

图2测距系统结构框图

系统主要工作原理是：由单片机编程送出40kHz频率的方波信号至信号发射缓冲器，缓冲器按照时钟脉冲顺序把方波信号送至发射电路，然后发射电路经

过压电换能器将信号发射出去，该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时压电换能器将接收的回波,通过信号处理的检波放大、积分整形及一系列处理，向单片机产生一个外部中断通过请求响应。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。如果所测距离小于报警距离2m时，报警器就发生报警。若大于报警距离则测距系统继续测量。该测距装置是由超声波传感器，单片机，显示电路，报警电路，发射、接收电路等组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。

传感器接收到由AT89C51 P1. 0 发出的0.5毫秒宽,重复周期为50毫秒的40kHz调制信号。当测距系统有效区域内有障碍物时,即对发射的信号产生反射，传感器接收到反射信号，送入接收电路信号微处理器件，微处理器件优先处理先得到的信号对应反射波上每个周期中第一个有效的下降沿，通过单片机计算从发射到接收的反复延迟时间来算出障碍物体离传感器的距离，并在LED上显示出距离信息。

超声波发射电路如下图3

图3超声波发射电路

555定时电路是有3个5千欧电阻组成分压器、2个高精度电压比较器、1个基本R-S触发器、1个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。R脚为复位输入端，Q为端为555电路的输出端，THR为阀值输入端，CVolt为控制电压。当R为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输入Q端都为低电平。它是有TTL集成定时电路具有较强的电路驱动能力。

在超声波发射电路中，当电源接通后引脚2的V2电压上升，当V2上升到2/3Vcc时触发器被复位，此时Q脚为低电平。电容C1通过R2和T的放电，使V2下降，当V2下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，Q脚翻转为高电平。这样周而复始，在Q端输出一个周期性的方波，其频率为的振荡信号，门电路产生低频调制脉冲,脉冲持续时间为160μs 左右,脉冲间隔为30—40ms 。此脉冲信号一路作为振荡器的置位脉冲,另一路作为计时的起始脉冲。在置位期间，振荡器输出频率为40KH 的脉冲信号(约8个脉冲)，由超声波发射头T40 —16 发射出去。单片机通过P1.0口控制R引脚的输入，使555电路复位不再输出方波。

超声波接收电路如下图4

图4超声波接收电路

超声波接收电路如图4所示。它采用通用的FPS—4091红外接收组件，但

是，需要将红外接收管PH302换为超声波接收头R40—16。因为在距离较远时，回波信号很弱，使用此接收组件，可以在有效的范围内保证接收到的信号其输出达到TIL电平，避免了为达到几十万倍的放大量而采用多级运放组成的调试困难的高增益放大电路，十分便于制作，且电路无须调试。图中T为进一步整形放大，可增大测量电路，反相器为满足单片机需要不同极性的信号而加入。信号通过IC2D后传送到单片机的P3.0和P3.3。P3.0为单片机的RXD串行中断输入口，P3.3为INT1是外部中断1的请求输入端。到收到回波后，接收部分会向单片机产生一个外部中断1的请求，请求单片机处理。单片机相应后按照程序处理数据，计算出所测距离。

1.2 报警电路及显示系统

报警电路是超声波测距系统中不可缺少的部分，因为大部分超声波测距系统的应用中都与现实的安全有直接的关系。本系统采用的是比较简单的报警方案，如图5所示。

图5报警电路

本报警系统主要有一个蜂鸣器，一个74系列的与非门器件等组成。与非门的1，2脚接单片机的P1.5，P1.6。P1.5、P1.6为8位口，其输出是为锁存状态即没有条件。当被的距离小于警报距离时，有程序控制对所测的距离与警报距离作比较，若所测距离>报警距离时单片机会从P1.5或P1.6同时输出为低电平，根据与非门逻辑的特性：输入只要有“0”，输出为“1”，输入全部为“1”，输出为“0”。则蜂鸣器本报警系统继续测量。当所测距达到报警距离时，单片机会从P1.5，P1.6输出高电平则蜂鸣器就会报警。

当数据送到单片机系统,按程序设计进行处理,产生的BCD码AT89C51的P0.0～ P0.7送显示部分,由四位数码管显示探头与障碍物的距离，高位和低位的BCD码均由脚P0.0～P0.7 送出如图6所示。单片机的P0.0~P0.7分别与译码器的D0~D7相连，D0~D7分别与2个驱动芯片的A、B、C、D相连，2个驱动芯片的A、B、C、D分别又与LED的a~g相连，2输入与门和非门所组成的组合逻辑电路，用以输出芯片工作的时钟信号。这样就构成了显示电路。

看门狗（watchdog）有时又称为定时器T3，看门狗电路当电源上电、掉电时，该芯片都可提供复位电平，并且当其WDI管脚不能采集到翻转信号时，就会发送200ms的复位脉冲。单片机控制器采用P3.2脚定时向看门狗电路发送电压翻转信号，以示系统正常工作。当由于外部干扰或其他原因导致死机时，看门狗电路回自动发出复位信号，使单片机复位。

显示电路有74HC247、74HC273、LED等器件组成。74HC273为高速COMS工艺的4输入8输出的译码器，D1-D8为数据输入端，Q1-Q8为段输出。CLK为时钟的输入端。74HC247将输入的4根数据线，译为8根数出线，输出为标

准的BCD码0-9。使单片机通过改变P0口的电平来控制显示器件的数据显示。

74HC247是4线——7段译码/驱动芯片主要用来提升电流达到LED发光的额定电流，输出为标准的BCD码，当要输出0-9时BI 应为高电平或开路，对输出“0”时还要求脉冲销隐RBI为高电平或开路。A-G为段输出分别与LED的a-g相连。74HC247的工作电压7V，输入74HC273电压5.5V，截至时输入输出端电流1mA。74HC247的驱动能力很强，驱动共阳极LED显示。

2 软件设计

AT89C51单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。超声波测距系统的程序主要有一个循环计测主程序和两个中断程序组成，主程序流图如图7。

图7程序流程图

主程序主要完成系统初始化工作、超声波的发射和接收顺序的控制及结果的显示。定时中断服务子程序完成超声波的发射，定时器的定时等工作。当超声波接收单元收到回波后会产生一个外部中断，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出及报警等工作。

3 结语

本文提出的基于AT89C51单片机的超声波测距系统,具有成本低、精度高、误差小、显示直观、便于操作、电路简单以及抗干扰性好等优点，在实际使用过程中，能够满足一些中小规模系统的测量要求。但是本系统只能解决直线的测距问题，对于在空间中的曲线传播无法准确测出距离，这是以后需要继续探讨的问题。本系统在测量精度方面虽然能满足要求，但精度还可以继续提高，这是以后需要继续做的工作。

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