牵引车辆防追尾智能报警器设计探讨

贺波　姜颖　晁兴旺　曲强　申振

摘要：汽车牵引防撞系统是一种向司机发出报警的装置，此牵引防撞报警系统能在汽车牵引过程中自动检测障碍物，然后通过超声波测距原理测出汽车与障碍物之间的距离，当汽车与障碍物之间的距离达到极限时，系统LED闪烁并发出声音报警，达到提醒司机防止撞车的目的。文章对牵引车辆防追尾智能报警器设计进行了探讨。

关键词：汽车牵引过程；防撞报警系统；防追尾智能报警器；超声波；单片机；自动控制 文献标识码：A

中图分类号：U467 文章编号：1009-2374（2015）10-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0867

本设计利用传感器技术、汽车ECU以及电气控制技术，采用超声波测距原理，当小车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统能发出声报警，并随着距离的不断缩近，LED闪烁频率不断提高，并发出报警提示音，防止汽车在牵引过程中发生碰撞。它能够自动检测实时距离，当达到阀值时LED闪烁并发出警报，以提醒司机及时采取措施，避免碰撞的发生。

汽车倒车防撞测距报警器一般有四种：（1）嘀嘀声加闪光；（2）音乐声加闪光；（3）语音声加闪光；（4）倒车到危险距离时发出警报声的超声波倒车报警器。由于很多研究都采用的是特殊难购的专用元件，使其难以推广，本设计采用国内生产的通用元件，成本较低廉，本设计使其在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车，如果和制动系统联系在一起也可以形成自动刹车。

1 控制系统方框图

汽车防撞控制系统方框图如图1所示。该系统全部由汽车ECU控制，超声波发射电路能在汽车ECU的控制下发出超声波。接收电路接收到信号之后送入汽车ECU进行处理。算出后车与前车之间的距离，同时对时间进行一次求导，得出两车的相对速度，二次求导，得出两车的加速度关系，从而根据特定的控制算法，控制声光报警电路进行报警。

图1 超声波汽车防撞控制系统方框图

2 HC-SR04超声波模块

超声波测距采用的是时间差法，即在某时刻向某一方向发射一定频率的超声波，在发生出超声波的同一时刻开始计时，该超声波在空气中以340m/s的速度传播，当遇到障碍物时，就被立即反射回来，超声波接受器接收到反射回来的超声波时，立即读取计时器的计时时间，根据该时间便可以计算出两者的距离，该距离对时间求一阶导数便是两者的相对速度，求二阶导数便可得到相对加速度。

利用以上所述原理，本设计选用HC-SR04超声波发生接收传感器，该传感器可提供2～400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离

多数倒车雷达的超声波传感器为2～3个，单个传感器的水平探测角度为60°～70°，这样势必造成2～3个盲区，如图1，而增加传感器的个数不但会增加成本，而且会提高报警器的故障率。另外，由于等同于水平探测角度的垂直探测角度显得过大，往往对粗糙地面发生误报，如果改为探测角度为30°的传感器不会误报，但是不能有效地探测约30cm高的路堤，造成倒车时碰到后保险杠的问题。

3 测距基本工作原理

声音在真空中传播速度为340m/s，利用汽车ECU中自带的计时器功能，读取发射出超声波到接收到超声波的时间，根据发射和接收的时间差便可以计算出后车到前车的实际距离，其原理与雷达测距原理是一样的。

另外，超声波测距误差主要有时间测量误差和速度传播误差：（1）时间测量误差。假设超声波在当地的传播速度已知，只要在达到微秒级的传播时间计量差值精度，就可以保证测距误差小于1mm，这对于该设计完全足够；（2）超声波传播速度误差。当温度为20℃时超声波传播速度为346m/s，30℃时是350m/s，每摄氏度超声波传播速度差值为0.4m/s，由此看来温度所引起的误差也是相当小的，在此完全可以忽略不计。

具体实现步骤如下：（1）采用汽车ECU的IO口TRIG触发测距，首先产生至少10us的高电平信号；（2）当该电平信号生成时，模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）当有信号返回时，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测距公式为：

（1）

式中：

——两车相距距离

——高电平持续时间

4 稳压电路

LM2940芯片是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。LM2940有两个版本：固定输出版本和可调版本，固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精度；固定输出电压为1.2V的精度为2%。LM2940内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。因此，该设计选用此芯片完全能够满足需求，实现预定的功能，为各个模块输送稳定的电压。稳压电路如图2所示：

图2 LM2940稳压模块原理

5 报警二极管电路与报警蜂鸣器模块电路设计

报警二极管采用普通的发光二极管，该二极管的特点是工作电压低，工作电流很小，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，并且成本较低。通过改变流过报警二极管的电流强弱，可以方便地调制发光的强弱。

报警蜂鸣器模块电路采用一个蜂鸣器进行报警，利用汽车ECU控制输出一个一定频率的信号。信号通过一个三极管，把信号放大，以增强驱动能力。然后将放大之后的信号连接到蜂鸣器上，当汽车ECU预测到险情将要发生时，便产生一定频率电流，驱动蜂鸣器发出报警信号。报警部分装置的设计图如图3、图4所示：

图3 报警二极管电路图

图4 报警模块电路图

6 结语

本文是基于汽车ECU控制原理、超声波测距原理而设计的。它能自动实时检测距离前车的距离、速度和加速度，当该系统预测到险情将要发生时，发出警报提醒司机采取规避措施，防止汽车发生碰撞。本文以超声波测距为核心，具有功能完善、性能好、电路简单、工作稳定等特点，大大提高了汽车牵引过程中的安全性。虽然测量的精度往往只能达到厘米数量级，但这对于行驶的汽车来说完全满足要求。该设计经过多次试验验证，性能可靠，工作稳定，能够实现预期功能，具有广阔的应用前景。

参考文献

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[5] 赵继文.传感器与应用电路设计[M].北京：科学出版社，2002.

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作者简介：贺波（1993-），男，山东枣庄人，就读于山东理工大学，研究方向：车辆工程。

（责任编辑：周 琼）