无线智能化技术背景下的汽车“守护神”

黄永镇 李晶晶 贾雪松 徐天一 蔡明洋 许正阳 李林

摘要：随着科学技术的不断发展以及汽车日益普及，人们享受着汽车出行所带来便利的同时，也会出现交通事故和车内物品丢失等一系列的问题。本文设计了一种基于无线通信、红外人体传感模块、超声波测距和单片机控制的超声波测距汽车倒车防撞系统。该系统具有高效、灵活、智能的特点，使汽车更加人性化、智能化，最终实现汽车“保护神”的目的。

关键词：超声波测距;防撞;汽车

1 引言

由于汽车制造业的高速发展，汽车安全已越来越成为了买车者的第一大考量因素。但尽管受金钱等现实原因的影响，安全性却一直是人们潜意识的焦点，新型的车辆层出不穷，而且安全性要求非常高。汽车安全性主要包括以下二大类。一類称为主动安全性控制系统，意思是在汽车陷入危机之前，避免汽车被碰撞的控制系统。目的是为了增加汽车的稳定性，并降低控制误差。而第二类汽车的主要安全特性为被动安全，这意味着汽车在出现碰撞事件的情形下将不可避免，而仅仅通过汽车自身来防护碰撞，从而使撞击的损失减至或最小化。例如车体构造、安全带、气囊、头枕、折叠式方向盘和刹车踏板都是被动安全的重要组成部分。

本文以AT89S51单片微型计算机为基础控制器，设计了一个构造简洁、性价比合理、安全性较高的防撞报警控制系统。控制系统采取了模块化设计，具备很大的灵活性和可扩展性，主要由单片微型计算机模块、超声波测距模块、声光报警模块、液晶显示等构成的[1]。

2 国内研究现状

目前，国内外不少科研单位和车辆厂家也在着力研究车辆防撞，尽管同西方国家先进的车辆防撞体系比较，中国研制的车辆防撞体系还具有较大的缺陷，但在过去三十多年中仍在分阶段获得发展，各自对防撞系统理论做出了大量的研究。

该理论把语言变量和模糊逻辑推理整合在车辆防撞控制理论中，将整个汽车防撞体系看作一个"人机对话"。这理论大大简化了传统汽车控制判断的方法，因为控制系统的定义能够用数理逻辑描述，所以它有着很大的前瞻性和可操作性，我认为这一理论一旦完善，必将引起汽车产业的巨大变革。

智能报警系统中能够及时提醒车速，并能够自动检测车辆与前方车辆之间的距离。此外，防撞系统中还设有雷达识别系统，能够自动监测车辆周围的动态环境，并对车辆前方的障碍物实现了智能分析和计算。假如一个障碍物危及到了司机的安全，而驾驶员又不能采取措施避开它，那么雷达就会给操作员发送一个信号，操作员就会刹车。同样，系统中的处理器也可以对通过雷达所传输的各种路况数据进行分析和管理[2]。

3 系统设计原理

本系统采用AT89S51单片机作为微控芯片，结合了超声波传感器测距，设计出一个构造简洁、性能稳定、检测准确度较高的车辆防撞报警系统，给车辆提供了"保护神"的功能。该系统可以即时提示车辆和障碍物之间的距离，并实现手动刹车功能，同时添加了温度补偿电路，从而提升了检测准确度，在检测距离低于设置的报警距离时会开启声光报警。通过对本系统进行模拟试验，以实现预期目标的过程[3]。总体设计框图如图 1 所示。

（1）AT89S51芯片向超声波传感器模块的触发口发送长度为20us的脉冲信号，使超声波发射电路向前发送超声波测量，此时AT89S51芯片计时器开始计数：当超声波遇到障碍物反射时，超声波接收电路接收反射波，通过回波口向主控制器测量高电平信号，然后出现低电平，计数器开始中断，时间在AT89S51根据时差检测公式s=t/58（cm）计算距离。

（2）主控芯片AT89S51根据设定的报警距离判断前方是否出现了障碍物，如果判断是，则驱动蜂鸣器报警，LED灯闪烁。

（3）利用主控芯片分别对两个直流电机发送连续的具有一定占空比的矩形脉冲进行PWM小车速度调制，在没有障碍物的情况下，后轮直流电机收到一定的脉冲宽度则小车走的是匀速直线运动：当AT89S51芯片判断出有障碍物时，则前轮得到一定脉冲宽度，从而达到避障的目的。

（4）驱动器使用了L298芯片，主要优点是功能强大，能承载超过四十六伏的电流，并提供了两套在港口，方便调速的两个车轮。而超声波模块使用了定时中断计时的方式，计算简洁高效，在程序中使用了超时限制，以避免无限数的错误出现，并采取了相应对策影响温度，以增加检测准确度。使用了四节串联干式电池作电源，电源满足了设计需要，是一个很好的高稳压的直流电源，有效防止了电网变流技术时电压不平衡，在一定程度上也减少了电网的设计复杂度。而Led和蜂鸣器的设计也达到了安全报警的效果，有很大的实用价值。

4 硬件系统电路设计

4.1 单片机控制芯片

本系统所采用的可编程控制芯片为 51 单片机控制芯片，成本廉价，并且具有良好的控制性能，该控制芯片拥有在线编程的功能，还拥有快速的运行能力，是现在设计电子领域的广泛采用的控制芯片[4]。整体电路设计图如图2所示。

4.2 电源电路模块

电源是整个系统稳定运行的前提，所以需要有一种合适的供电设计。而通信业的快速发展，极大的促进了通信电源的发展。高频微型化的工作电源，及其技术已成为现代交流供电的首选。在交流领域中，人们一般将整流设备称作一次电源，或将直流-直流（DC/DC）的自动变换器称作二次电源。例如对于汽车电机部分的工作电源，尽管在电池耗尽后电流减少，但为了顺利地驱动电机，所以给电机提供六伏直流电压，再通过并联的四节或五号电池，这样，即使电池损耗，但整个电池盒的工作电源供应仍超过了三伏，所以这种电流仍然能够驱动电机顺利工作。电源电路如图3所示。

4.3 晶振电路模块

本系统所采用的晶体振荡器电路是保证单片机正常工作所必需的周期电路。如果晶体振荡器电路不工作，就没有周期，从而导致系统周期的混乱，晶体振荡器电路是电子设计系统中的关键电路之一，在晶体振荡器振荡时能够提供一个合理的振荡周期。晶振电路如图4所示。

4.4 超声波测距模块

本系统所采用的测距模块是利用超声波测距系统设计的，超声波测距系统具有简单的特点，其原理是采用声波特性中的反射原理构成的，根据所使用的时间，来测得实际距离，完成相关的测距任务工作等问题，其原理十分简单，但也有一定的缺陷[5]，就是其精度稍有偏差。

4.5 红外热传感器模块

车身的远红外热释电传感器被放置在前挡风玻璃下，用来检测是否有人进入了限制区域。红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到中央处理器主机，中央处理器即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。也可以通过跳线选择单次触发和重复触发方式。

5 软件设计部分

本系统采用的软件设计系统是C语言编程，由于C语言编程具有较好的编程环境和在线编程能力，在电子工业编程语言中得到了广泛的应用。单片机一旦启动，CPU就会在晶体振荡器的驱动下开始工作，也就是说，每个机器循环到指定的地方提取指令，然后解析并执行。当系统准备工作时，对AT89S51单片机的I/O接口进行连续扫描，接收并采集各模块的信号。

6 结束语

本文设计了一种基于无线通信、红外人体传感模块、超声波测距和单片机控制的超声波测距汽车倒车防撞系统，系统以AT89S51单片机作为控制器，超声波传感器作为测量元件。该系统具有高效、灵活、智能的特点，可有效减少或避免碰撞事故的发生，减轻人员的伤亡和财产的损失，使汽车更加人性化、智能化，最终实现汽车“保护神”的目的。

参考文献：

[1] 毕克伟，孟祥佳.基于51单片机设计的智能车载安全系统[J].物联网技术，2021（1）：85-87.

[2] 李敏.物联网在智能变电站系统中的应用设计 [D]. 济南：山东大学，2016.

[3] 孙景伟，丁学用.汽车无线防盗防撞报警器的设计[J].无线互联科技，2020（8）：77-78.

[4] 陆文昌，徐力，袁朝春.汽车主动避撞系統主动制动实现方法[J].机械制造与自动化，2017（4）：195-198.

[5] 王守中. 51 单片机开发入门与典型实例[M].北京： 人民邮电出社，2007.

[6] 张红月.一种新型的主动式汽车防碰撞系统的研究[J].电子世界，2018（18）：196+198.

作者简介：黄永镇（2000年3月生），男，汉族，河南省鹤壁市，沈阳城市建设学院信息与控制工程系，本科在读，研究方向：通信技术。

项目来源：沈阳城市建设学院2021年大学生创新创业训练计划项目，项目名称：无线智能化技术背景下的汽车“守护神”;项目编号：202113208018。