汽车防追尾超声波探测模拟装置设计

张弛，顾平林

(1.苏交科集团股份有限公司 智能交通设计研究所，江苏 南京 210017；2.南通理工学院 汽车工程学院，江苏 南京 226001)

引起公路交通事故的主要原因之一是驾驶员不能对车辆之间的安全距离作出准确判断，尤其是大雾天或夜间，当发现问题紧急制动时，车辆之间的距离已小于安全制动距离，导致追尾事故。开发性能优良的汽车防追尾预警系统对降低交通事故发生率具有重要意义。

1 超声波测距模型

常见的测距方法有超声波测距、激光测距、CCD摄像系统测距及雷达测距等，这里采用超声波测距方法。如图1所示，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物返回，超声波接收器接收到反射波后即停止计时。根据超声波发射和接收之间的时差按式(1)可计算出超声波探头与障碍物之间的距离S：

图1 超声波测距原理示意图

S=C·T/2

(1)

式中：C为超声波在空气中传播速度，C=340 m/s，C与温度有关，如果测距精度要求高，则应通过温度补偿方法加以校正；T为超声波从发射到接收所用时间。

设超声波两次发射-接收所用的时间分别为T1、T2，两次发射-接收超声波探头与障碍物之间的距离分别为S1、S2，取第一次发射与第二次发射的时间间隔为1 s，将S1-S2定义为安全指示参数K，公式如下：

(2)

分别取高速公路安全距离180 m及行驶速度120 km/h、普通公路安全距离15 m及行驶速度30 km/h，设置表征车辆安全制动距离和安全制动行驶速度的安全系数W=安全距离/行驶速度，分别得到高速公路安全阈值W1=1.5、普通公路安全阈值W2=0.5。定义：高速公路上达到W1预警，黄灯亮；普通公路上达到W2紧急制动，红灯亮。

2 超声波测速测距模块电路设计

2.1 超声波信号发射

超声波信号产生和发射电路由超声波信号产生电路、超声波信号控制电路两部分组成，图2为基于超声波原理的发射装置。

图2 基于超声波原理的发射装置

(1) 超声波信号产生电路——HC-SR04超声波测距模块。采用I/O口TRIG触发测距，给予至少10 μs的高电平信号；模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回；如有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间即为超声波从发射到返回的时间。该模块使用方法简单，一个控制口发一个10 μs以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一旦有输出，便可开启定时器进行计时，当该口变为低电平时读取定时器的值，由此计算出距离。

(2) 超声波信号控制电路——555多谐振荡器控制电路。超声波发射电路通过555多谐振荡器控制电路与外围振荡变阻器相连，可控制电路板，形成40 kHz多谐超声波综合控制电路元件。由555定时器和外接元件R6、R7、C构成多谐振荡器，脚2与脚6相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态。电路也不需要外接触发信号，利用电源通过R6、R7向C充电及C通过R7向放电端DC放电使电路产生振荡。电容C在2/3VCC和1/3VCC之间充电和放电，从而在输出端得到一系列矩形波。

2.2 超声波信号接收

采用CX2016A半导体集成电路模块作为超声波接收设备的集成电路模块，超声波接收探头采用RCT40。CX2016A集成电路的端口设置较好，其主要作用是对接收到的超声波进行放大、滤波。

3 行车警示模块电路设计

3.1 声音-液晶显示警示电路

声音警示电路的工作原理：使用简单易懂的蜂鸣器对防止汽车追尾发音警示，蜂鸣器根据晶闸管端口输入的电压和频率发出声音。声音警示电路见图3。

图3 声音警示电路

选择LCD1602液晶显示器作为液晶显示警示电路，显示电路连接见图4。VSS连接到电源开关接地，电源线连接到电源开关，D0～D7连接到控制器的I/O口，用于显示综合数据；BLA和BLK作为环境背光电源插头的外部接口，连接到相应的电源端口；V0连接一个10 kΩ电阻，由于大屏幕的对比度可调节，这个引脚的输出电流越低大屏幕越亮。LCD液晶显示器的最大优点是显示清楚，控制操作方便。由于控制器最大电流强度只有20 mA，在D0和D7之间连接一个10 kΩ上拉串联电阻R，当控制器引脚板总是显示电平为低时，上拉串联电阻R等于接地，同时控制器中相应引脚显示低电平。

图4 显示电路连接

3.2 控制电路

控制电路见图5。采用安全系数W=安全距离/行驶速度进行比较。单片机输出高低电平，由DAC0808的A1～A8输入；Pin 4脚输出模拟信号，由运算放大器AR1放大，推动制动器。刹车系数F越大，制动强度越大，从而达到刹车的目的(见表1)。

图5 控制电路

表1 控制信号、刹车系数与安全系数

4 防追尾超声波探测模拟装置

如图6所示，防追尾超声波探测模拟装置主要包括超声波测距、单片机控制及声音-液晶显示警示三部分。通过步进电机转速模拟汽车的行驶速度及加、减速。该装置的处理器系统采用单片机AT89C51，脉冲波从P3.0端口连续发射，为超声波换能器提供动力。超声波计时利用定时器的计算功能，记录发射到接收所用时间T。当超声波接收器接收到超声波能量时在接收电路的输出端控制该信号的输出，且不会在INT0端产生强迫中断的强信号，从而得到时间差。

图6 防追尾超声波探测模拟装置原理示意图

图7(a)为防追尾超声波探测模拟装置实物图，该装置主要包括HC-SR04超声波测距模块、LCD1602液晶显示器、AT89C51单片机最小系统、有源压电蜂鸣器、ULN2003A大电流驱动列阵、28BYJ-48步进电机及绿(正常行驶)、黄(预警)、红(紧急制动)3个指示灯。电源通电时，该装置可检测正常行驶、预警及紧急制动3种状态，液晶显示器上显示安全距离wa、紧急制动距离st、检测到的实际距离distance3个参数。

设定安全距离wa=1 m、紧急制动距离st=0.5 m进行试验，结果见图7(b)、(c)。图7(b)中LCD1602液晶显示器显示检测到的实际距离distance=43.2 cm

图7 防追尾超声波探测模拟装置实物

5 结语

该文在构建超声波测距模型的基础上，设计超声波测速测距模块电路和行车警示模块电路，采用HC-SR04超声波模块、LCD1602液晶显示器、AT89C51单片机最小系统、有源压电蜂鸣器、ULN2003A大电流驱动列阵、28BYJ-48步进电机等元件构建防追尾超声波探测模拟装置，通过步进电机的转速来模拟汽车的行驶速度及加、减速，实现对汽车正常行驶、预警及紧急制动3种状态的判断、警示、动作。该防追尾超声波探测模拟装置可应用于实车或教学仪器等场合。