一种汽车防撞报警系统的设计与Proteus仿真

吕德深，梁承权

（1. 华南师范大学 物理与电信工程学院，广州 510006；2. 南宁学院，南宁 530200）

0 引言

随着经济的快速增长，人民生活水平不断提高，私家车的数量大幅度增加，造成道路拥挤，交通事故频频发生，对人们生命造成严重的威胁，给人们财产带来了巨大的损失。安全驾驶成为人们关注的焦点，其中汽车防撞报警器的设计显得非常重要与迫切。针对这种情况，本文设计一种汽车防撞报警系统。该系统采用超声波测距原理，在车辆行驶时自动检测前方的车距[1]和相对速度并通过液晶显示，同时根据车距和相对速度通过声光报警电路发出预警信号，实时提醒驾驶员安全驾驶。

1 超声波测距测速原理

超声波是一种频率高于20000赫兹的机械波，指向性强，能量消耗慢，常温下在空气中的传播速度为 v0= 3 40m/s。超声波测距原理如图1所示，其在空气中传播的距离L：

式中t为超声波在空气中的传播时间。

由图1中的三角形关系可知：防撞报警系统与障碍物之间的距离d：

式中S为报警系统中超声波发射头与接收头之间的距离。

超声波在空气中传播速度v0受温度影响较大，所以必须考虑温度对速度的影响，速度与温度的关系为：

式中T为防撞报警系统的环境摄氏温度[2]。

由式(1)、(2)、(3)可知，考虑了温度影响后，报警系统与障碍物之间的距离d：

图1 超声波测距原理图

2 系统总体方案设计

该汽车防撞报警系统总体结构如图2所示，主要由主控制电路、超声波发射与接收电路、温度测量电路、液晶显示电路、声光报警提示电路等组成。主控制电路是该汽车防撞报警系统的核心组成部分，负责产生超声波发射电路所需的40KHz方波信号；同时对超声波接收电路检测分析的回波信号进行运算处理。温度测量电路主要采集环境温度，对超声波速度进行校正，提高测量精度。所测量的温度、距离、速度等信息最终通过液晶显示出来，同时系统根据所得的距离和相对速度进行控制声音报警提示电路和LED状态提示电路，达到提醒驾驶员安全驾驶的目的。

图2 系统总体框图

3 系统硬件设计

3.1 主控制电路设计

主控制电路一方面负责产生超声波发射电路所需的超声波信号；另一方面对超声波接收电路的回波信号进行处理，并控制声光报警电路进行预警提示。

系统采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器。该单片机采用高密度、非易失性存储技术集成了丰富的片内外设资源，内含4K的flash，256字节的RAM，四组8位的IO口，2个外部中断，2个定时计数器和一个串行中断[3]。本系统主控制电路主要包括AT89C51单片机、时钟电路、复位电路等，其电路如图3所示。

图3 主控制电路图

3.2 超声波发射与接收电路设计

发射电路与接收电路在距离测量中至关重要。发射电路功率较小，或者频率不对，接收电路将难以接收到回波；接收电路放大倍数不够，或者周围环境干扰太大，容易造成接收不到回波信号或接收错误回波信号。

3.2.1 超声波发射电路

超声波产生的方式主要有：电气方式和机械方式，本系统采用电气方式的压电型超声波传感器，其主要利用压电晶体谐振工作，超声波发射电路如图4所示。单片机由定时器产生40KHz的方波信号经74HC04后送入转换器，最终以超声波形式发射出去。

图4 超声波发射电路

3.2.2 超声波接收电路

由于超声波在空气中传播受到空气阻碍作用，距离越远，反射回来的回波越弱。因此，接收到的回波信号必须进行放大、滤波、整形等处理。为了使电路简单可行，综合各方面考虑，本系统采用CX20106A为接收电路的核心器件[4]，其芯片及外围电路如图5所示。CX20106A是索尼公司生产的一款红外解码芯片，解码中心频率由R14阻值决定，其内部集成了前置放大、限幅放大、宽频带滤波器、检波及比较器、整形、滞后比较器等电路。系统采用CX20106A，大大降低了接收电路的复杂程度。

图5 超声波接收电路

3.3 温度测量电路设计

由于超声波在空气中传播的速度受温度影响较大，在温度变化较大的场合必须考虑温度对速度的影响[5]。为了得到较高精度的温度，系统使用DALLAS公司的单总线数字式温度传感器DS18B20。其优势明显：抗干扰能力较强；外围电路较少，只需一个10kΩ的上拉电阻；单片机只需一个IO口就可对其读写。DS18B20传感器的电路如图6所示。

图6 DS18B20测温电路

3.4 液晶显示电路设计

传统电子设备通常采用LED数码管显示，其亮度高、价格低等优势而得到广泛应用。其缺点却很明显，显示内容较少、线路复杂，部分应用领域已被近年兴起的LCD液晶逐步取代。LCD液晶显示内容丰富、亮度均匀、性价比较高。本系统采用LCD12864液晶对温度、距离、速度、提示语进行显示。其电路接口如图7所示。

图7 LCD12864显示电路

3.5 报警提示电路设计

该防撞报警系统的报警提示电路如图8所示。当报警系统检测到障碍物距离大于5米并相对速度小于1m/s时，单片机控制蜂鸣器关闭，绿色LED亮，液晶上显示“安全”字样；否则，蜂鸣器发出报警声音，红色LED开始闪烁，液晶屏上显示“危险”字样；同时，距离越小，相对速度越大，报警声音频率越高，红色LED闪烁越快，从而起到提示驾驶员注意保持车距安全驾驶的作用[6]。

4 系统软件设计

4.1 总体软件设计

该防撞报警系统软件设计主要包括：超声波信号产生子程序、超声波接收中断和超时中断子程序、温度测量子程序、液晶显示子程序、预警处理子程序、距离修正子程序。系统软件流程图如图9所示。系统一开始进入初始化程序，包括LCD12864初始化、外部中断与定时器中断初始化、单片机IO口初始化等。单片机发送10个40KHz的方波后，单片机等待外部中断或定时器中断的发生。若单片机发生定时器中断，变量Test=2，说明超声波接收超时，此时定时器数据无效。若单片机接收回波的IO口P3.2发生外部中断，Test=1，此时读取定时器寄存器TH0、TL0的值，即可得到（4）式中的t，并根据t计算出报警系统与障碍物间的距离d。

图8 报警提示电路

图9 系统软件流程图

4.2 系统数据修正处理

超声波反射的回波有一定的离散性，为了克服偶然误差，得到更精准的测量结果，系统采用递推中位值平均滤波法对测量结果进行修正。该方法是采用软件滤波对数据进行修正：采用递推的方法对每个测距点连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的平均值作为该测距点的测量数据。这样的处理能够克服偶然引起的脉冲性干扰，消除脉冲干扰引起的采样值偏差，使测量数据更准确可靠[7]。

5 系统测试与分析

为验证设计方案和程序设计的正确性，对系统进行了仿真测试和硬件测试。

5.1 系统仿真及测试

5.1.1 Proteus软件介绍及仿真元件创建

Proteus是一款非常出色的EDA工具，能够对常见的元器件进行准确仿真。该软件和大多数仿真软件一样，可进行元件创建及层次原理图的设计。Proteus元件库中没有超声波发射和接收电路，故本文主要通过自制元件生成相应的电路。具体实现步骤如下：1）利用常用工具箱中的2D Graphics Line Mode和Device Pins Mode工具绘出整个线路连接图；2）利用Make Device工具将线路连接图组合成单一的元件；3）编辑元件的子原理图。

本系统的超声波发射接收模块元件如图10所示，其子原理图是由NE555组成的单稳型压控振荡器，如图11所示。当单片机发送40KHz的脉冲到NE555的2脚时，触发压控振荡器工作，此时3脚输出一定脉宽的方波，调节5脚电压可输出不同占空比，即实现了不同距离的调节。

图10 超声波发射接收电路线路图

图11 超声波发射接收 电路的子原理图

5.1.2 系统仿真测试

系统仿真如图12所示，调节图中的RV1可实现模拟不同距离的测量。

仿真测试实现了：1）环境温度的实时测量及修正；2）两车间距离、相对速度的显示；3）根据距离与相对速度判断车辆是否在安全范围内，并给出相应的声音报警和LED提示。

图12 系统仿真原理图

5.2 系统硬件测试与分析

根据设计方案设计了如图13所示的实物，并进行不同距离和相对速度的测试。测试结果表明：1）当距离大于5m且相对速度小于1m/s时，绿色LED亮，液晶屏给出安全提示；否则，液晶屏给出危险提示，并且红色LED闪烁、蜂鸣器发出报警。2）实际距离越大，偏差越大。在10m范围内测量数据较准确，能很好地提醒驾驶员安全驾驶，超出10m系统误差大。

报警系统与障碍物的实际距离较大时，反射的回波较弱，容易受周围环境影响而导致偏差较大，但相对误差较小。

图13 系统实物图

6 结束语

本文设计的汽车防撞报警系统采用AT89C51为主控器，实现了实时的超声波测距、测速，并将所测距离和相对速度显示，同时系统根据距离和相对速度判断汽车是否在安全范围内，若不在安全范围内系统将进行声音报警和LED状态提示。系统进行了Proteus仿真和硬件测试，验证了系统的可行性和可靠性，此外，系统成本低，使用方便，能有效提醒驾驶员小心、安全驾驶，避免汽车相撞事故的发生，具有较大的实用价值和市场价值。

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[7] 张俊.匠人手记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.