基于激光测距的汽车防撞警示系统设计

梁宗宇++郭建涛++刘涤非

摘要：设计了一个基于激光测距的汽车防撞警示系统，在雾霾、雨、雪等能见度低的天气下，如果汽车发生故障停在路边，LED三角警示牌能使后方来车远距离清晰辨识。该设计利用激光测距模块测量后方来车与故障车的距离，当距离太近且后方车辆速度太快时LED三角警示牌自动弹起并点亮，对后方来车驾驶员起到“预警”的作用。本次设计的LED三角牌警示系统主要包含四个方面，分别是STC89S52处理模块、激光测距模块、按键输入模块和显示模块。此设计系统测试效果良好，能够实现预期功能，有很好的市场应用前景。

关键词：STC89S52；激光测距；诺基亚5110，汽车防撞系统

中图分类号：TP368.2 文献标识码：B 文章编号：1009-3044（2016）07-0244-03

Design of Anti-collision Warning System for Automobile Based on Laser Ranging

LIANG Zong-yu， GUO Jian-tao， LIU Tiao-fei

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic and Technology， Guilin 541004，China ）

Abstract： A car collision LED them system is designed， with which the car can be clearly identificated at a distance， if the car stops in the driveway in the low visibility weather such as fog， rain， snow. The design measures the distance to the following car and trouble truck with the laser ranging module. The LED caution sign automatically lights， when the distance is too close and the vehicle speed is too fast， which can warn the following cars drivers. The design of Anti-collision Warning System for Automobile Based on laser ranging mainly includes four aspects， which are STC89S52 processing module， the laser ranging module， key input module and display module. This design system test effect is good， which can realize the anticipated function， and have the very good market application prospect.

Key words： STC89S52； Laser ranging； Nokia 5110

1 概述

汽车行业的快速发展，汽车行驶能够达到的速度越来越高，但在发展的同时存在着很大的安全隐患，车速太快使驾驶员难以在短时间内作出反应，容易造成交通事故的发生。综合分析大量交通事故，结果表明，因司机反应不及时导致的事故占到80%以上，追尾相撞引起的汽车碰撞事故超过65%比例。汽车安全问题已成为社会迫切需要解决的问题。

交通事故威胁着人类的生命安全，所以人们对所使用的汽车的安全性能有了更加高的要求。设计一种操作简单可靠的能够检测到车辆距离还有车速，实时检测车辆在设定的安全距离范围内时向车主发出警报信号的安全系统，在实际应用中有着重大的意义。

针对雾霾、雨、雪等能见度低的天气条件下，撞车事故发生概率较高的问题，设计了汽车防撞LED三角牌警示系统，利用激光测距在单片机控制下实时监测路边所停故障车辆与后方来车的距离，在进入到安全距离内时会使LED三角牌弹起并闪烁警示，提示后方来车及时避让，对后方来车驾驶员起到“预警”的作用。减少和避免了撞车事故尤其是高速公路多辆汽车追尾碰撞事故的发生，为高精度汽车防撞系统提供了一种新的方法。

2 系统结构设计

设计思路是：用微型计算机系统单片机程序控制激光测距模块工作，将测到的距离与设定的安全距离做比较，当测到的距离比设定安全距离小时，液晶显示屏显示危险信号和实际距离并且使LED三角牌弹起点亮起到警示作用。LED三角牌警示系统主要包含四个方面，分别是STC89S52处理模块、激光测距模块、按键输入模块和显示模块。按键模块用来设定安全距离。显示模块包括三角警示灯、诺基亚5110液晶显示，三角警示灯用来提醒有紧急情况，诺基亚5110用来显示设定的安全距离和实际距离。激光测距模块用来测定距离并反馈给STC89S52处理模块。STC89S52处理模块用来处理数据并控制其他模块的工作。系统设计方案如图1。

LED三角牌警示系统设计原理是：开启单片机开关，对STC89S52进行初始化，并且设定车辆的安全距离，给激光测距模块发送指令使其工作，电机开始工作并通过光电传感器来将电机转速转换成车速，经过中断将数据送到STC89S52，测距模块接收到STC89S52的指令开始工作，将测到的距离值反馈给STC89S52，STC89S52对测距模块和测速模块反馈的数据进行处理，再与设定的数据进行比较，判断是否达到报警条件。

3 系统模块硬件及软件设计

3.1 电源电路设计

本次供电模块的功能是为激光测距模块，单片机模块和液晶显示器供电。本次模块由两节电池供电6-7.4V，再通过一个可调稳压电源模块把电压降到5V，可调稳压电源模块用降压拓扑电路，开关管用一个LM2596芯片，然后通过调节R1和R2的分压比来实现PWM的调节，让电路实现稳压功能。电压5V再通过一个AMS117线性稳压芯片，把电压降到3.3V给红外线激光测距模块供电。电源设计电路图如图2。

3.2 单片机及外围电路设计

STC89S52单片机及外围工作电路如图 3所示。单片机的最小系统的工作电路只是包括了晶振电路及复位电路两个部分。一般复位电路常用的是上电开关复位电路。单片机上电后，电容充电，使RST持续一段高电平时间，此时单片机复位；而单片机已在运行之中，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电开关复位的操作。常用的上电开关复位电路通常选取C=10-30pF的电容，R=10k的电阻。复位电路的作用是让单片机的软件指令从头开始执行。当在其复位输入端输入一个高电平脉冲（持续两个机器周期以上），便可以对其完成一次复位工作。

单片机工作需要振荡时钟脉冲，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器，就构成了内部振荡方式。单片机芯片含有高增益的反向放大器，在外接晶振后，构成了自激振荡器，并由自激振荡产生时钟脉冲。晶振通常选用6MHz、12MHz、24MHz。晶振两端的电容C1、C2的作用是用来稳定振荡频率和达到快速的起振效果。C1、C2电容值一般选用5-30pF。晶振电路为单片机工作提供了时钟脉冲，本设计使用12MHz的晶振，并加两个30pF的负载电容。

3.3 按键和显示模块设计

LED三角警示牌使用的液晶屏是诺基亚5110，用来显示实际距离和危险信号。诺基亚5110液晶屏只需要8根接口信号线，取好字模后，既可以显示字符，同时还可以显示图像。诺基亚5110是48*84的点阵液晶屏，显示汉字时，如果取的字模是16*12点阵的，那么也可以显示3行，每行7个字。字模可以用取字模软件取出，取出的时候要注意扫描方式，诺基亚5110液晶屏所用的是列式扫描，列式扫描就是每一个汉字可以作为上下两部分进行扫描，每一部分一列一列地扫描，每一列的长度是八个字节，而且是顺向扫描（下面为高位）。5110的背光使用的是3.3V因此外接一个470欧姆的电阻来分压。

当两车距离在设置的安全距离内时三角警示灯闪烁发出警示，故选用按键模块通过单片机来控制实现此功能。按键的作用是用来设定需要的安全距离。图4为按键和液晶显示电路图。按键05是用来控制数字的个十百千位，即移位，按键06是用来改变当前位置的数字大小，按键07的作用是跳出距离设置循环。按键是四脚封装，同一列的是内部连通，按键接5V电压，并串联一个分压电阻，把按键其中的脚共地，按键未按下时，单片机管脚的输入为高电平；当按键按下时，按键的四个管脚都与地连通，电路形成通路，实现对单片机的管脚输入低电平信号，这样就可以使用单片机程序判断控制。

3.4 软件设计

汽车防撞LED三角牌警示设计软件部分用单片机来实现控制各个芯片的工作，首先对单片机各个端口液晶显示模块、键盘按键、测距模块和LED三角灯模块进行初始化，然后按照流程图进行编写程序。主程序流程图如图5所示。

4 系统测试与调试

完成硬件设计和软件设计之后，首先对系统各个模块进行调试，能够实现预期的几项功能，然后对系统整体进行测试。利用按键设定安全距离，设定的安全距离、激光测距结果会在显示板上显示。当激光测距系统探测到后方行驶的车辆距离故障车辆等于或小于安全距离设置值时， LED三角警示牌自动弹起并点亮警示后方来车。系统预期的功能能够基本实现。

测试激光测距的精确度的实验中，在 60～80m的测距距离范围内进行测试，测距的误差范围为3～10m。能够满足实际需要。测试不同安全距离下系统警示牌能否成功显示的实验中，对系统的安全距离进行了不同的设定，观察记录警示牌能否成功亮起，实验数据如表1。实验结果表明安全距离在80米以内，能够达到80%以上的成功率，基本能够满足实际需要。

5 总结

纵观最终结果，本汽车防撞警示系统的设计已基本完成了预期的功能要求，用按键设置好安全距离，利用激光测距在单片机控制下实时监测路边所停故障车辆与后方来车的距离，在进入到安全距离内时会使LED三角牌弹起并闪烁警示，提示后方来车及时避让，对后方来车驾驶员起到“预警”的作用。系统以STC89S52单片机为控制器， 充分发挥了其优良的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态。采用了激光测量距离，测距效果基本达到了实际应用的要求。

我国近年来汽车工业及高速、高架公路发展迅速。各种豪华旅游车、长途客运大巴士、集装箱货车和各种小轿车大量增加。为确保车辆行车安全，特别是在雨、雪、雾天气中减少和避免高速公路上的撞车事故，汽车防碰撞系统需求量将十分可观。为高精度汽车防撞系统提供了一种新的思路，具有非常广泛的应用前景，提高了汽车安全性。

参考文献：

[1] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 李群芳，肖看，张士军. 单片机微型计算机与接口技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3] 戴日章.汽车红外激光智能防撞装置的研究[M].济南：山东大学，2006：9-10.

[4] 周永强.汽车防撞报警系统设计[J].电子世界，2014（4）：111.

[5] 高日云.相位式激光测距系统设计[D].太原：中北大学，2013.

[6] Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[7] 徐恒梅.激光测距系统的设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[8] 闫新星，李铁鹰，刘鹏鹏. 基于AT89S51的汽车防撞报警系统设计与开发[J]. 电脑知识与技术，2011（2）：424-426.

[9] 高雁，郭红英.光电传感器在电机测速表中的应用研究[J].数学技术与应用， 2013（8）：63-65.

[10] 王明春.基于STC89C52单片机的转速测量电路设计[J].中国科技信息， 2012（1）：97-102.

[11] Sutton Andrew， McKenzie Kirk， Ware Brent， et al. Laser ranging and communications for LISA.Optics Express， 2010，18（20）：20759-20773.