汽车防碰撞安全系统设计优化

张文科，王坤

(罗定职业技术学院，广东罗定，527200)

关键字：汽车防碰撞；单片机控制；超声波传感器

0 引言

本文采用微控制器为主要CPU 的控制检测电路，设计了以电源模块、单片机控制系统与收发模块、液晶显示模块、超声波传感器模块、报警模块等为主要组成部分的一种汽车防碰撞安全系统设计优化，研发了用于减少和预防交通事故发生的新型产品，产品价格廉价便宜，测量精度准，适应大众客户需求，安装简单，可以为人们在交通上带来人身安全的保障，营造安全畅通的交通环境。

1 控制系统的硬件组成

该系统硬件由主控制器、电源模块、显示模块及超声波测距模块等组成。考虑到成本以及装置的运行稳定性，主控制器采用AT89S51 控制芯片。为使单片机能正常工作，本设计采用单片机最小系统，外接有时钟电路和复位电路等。由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，本文中采用12MHz 的晶体振荡器作为振荡源，电容容量采用30pF。复位电路采用按键式方式设计，当开关按下时电容被放电、RST 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位，可以用来处理系统出现异常情况。

为了保证各个部件的正常工作，电源的供给是十分重要的，AT89S51 使用直流5V 电源，因此需要设计车载电源模块。LM2940-5 具有输出电压5V，输出电流1A 时，最小输入输出电压差小于0.8V，最大输入电压为26V，工作温度-40～+125℃，内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路等优点，所以本设计采用9V 干电池经LM2940-5 稳压得到5V 直流电给单片机供电。

超声波测距具有对色彩和光照度不敏感、对外界光线和电磁场不敏感等优点，广泛用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境，具有识别透明及漫反射性差的物体（如玻璃、抛光体），并且超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理可靠、易于小型化和集成化。因此，本文采用HC-SR04 超声波集成模块作为主要的测距模块。HC-SR04 超声波测距模块可提供2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，采用I0口TRIG 触发测距，给至少10us 的高电平信号，模块自动发送8 个40KHz 的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过I0 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，其测试距离=高电平时间×声速（340m/s）/2。

2 控制系统的软件组成

系统硬件是这个系统的基础，系统软件结构则根据硬件和控制需求来制定。本设计的软件系统分为两个部分，主程序和子程序，能够体现装置的智能化以及减小硬件电路的体积，子程序包括超声波发生子程序和超声波测距子程序。主程序流程图如图1 所示。

图1 控制主流程图

主程序首先是对各功能模块和控制参数进行初始化，设置定时器T0工作模式为16 位定时计数模式，置位中中断允许位EA，然后，通过超声波传感器采集到的数据送给控制器进行分析处理，实时显示安全距离给驾驶员参考，当遇到低于安全距离的时候，显示装置报警并闪烁提示驾驶员注意避让。

本设计利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间，超声波发生子程序的作用是通过P3.5 端口发送一个10us 以上的脉冲触发信号，超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确。

超声波测距的原理为超声波发生器T 在某一时刻发出一个超声信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可以计算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间，当收到超声波反射波时，启动定时器中断，执行计时子程序，读取时间差，计算距离，最后调用显示程序显示距离。

3 系统总体结构设计及工作原理

本系统由电源模块、超声波传感器收发模块、液晶显示模块、报警模块、单片机控制制系统收发模块、存储模块等组成，系统整体结构图如图2 所示。

图2 系统总体结构

超声波传感器收发模块可以实时检测到前后方车辆的位置和车速，如图3 所示。当即将发生危险，达到安全距离警报时，单片机控制器通过接收超声波传感器检测到的汽车前后方车辆的相对车速、相对距离及碰撞时间等重要参数，进行分析、计算、处理等，立刻发送警报等信息给报警模块，同时显示模块显示相关速度、时间、距离等重要信息，提供给驾驶员参考，以便驾驶员立刻做出判断，及时避免碰撞的发生。整个过程所产生的重要的数据保存在存储模块中，并通过单片机收发模块及时发送给指挥中心，以便交通警察部门做数据参考以及进一步分析等，该系统具有智能判断可能出现的危险，通过声、光或屏幕显示等方式提醒驾驶员或后方车辆驾驶员注意安全，从而达到减少和预防交通事故的发生。

图3 产品工作原理示意图

为了验证产品的可行性，将设计制作的汽车防碰撞系统产品安装在小车上进行测试，经过多次试验验证，该产品可以做到距离判断、显示、报警等全部功能。

4 小结

通过实际应用，本设计产品已经安装在小车上，可以做到实时监测前后方车辆的速度、距离等基本信息，分析出相互碰撞时间，智能判断出可能出现的危险，到达安全距离后可以显示信息、报警等，及时提醒驾驶员时刻保持车与车之间的最小安全距离，如遇到后方有大货车刹车，由于大货车惯性比较大，可以根据当时具体情况做出有效的解救措施，降低车祸发生概率，效果良好。同时本产品已经与广西某汽车有限公司合作，做进一步的推广应用。