基于單片機的汽車防撞報警系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上泰 山 學(xué) 院本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計基于單片機的汽車防撞報警系統(tǒng)設(shè)計所 在 學(xué) 院 機械與工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化 申請學(xué)士學(xué)位所屬學(xué)科 工 學(xué) 年 級 二一一級 (3+2) 學(xué)生姓名、學(xué)號 王俊基 指導(dǎo)教師姓名、職稱 張秀紅 講師 完 成 日 期 2013年 5月30日 摘要汽車業(yè)和電子業(yè)是工業(yè)界的兩大巨頭，伴隨著汽車和電子工業(yè)不斷地發(fā)展與進步，在現(xiàn)代化的汽車上，越來越廣泛地應(yīng)用了電子技術(shù)，汽車的電子化程度愈來愈高。現(xiàn)在的交通運輸業(yè)向著高密度的方向發(fā)展，電子方面的控制技術(shù)也進一步地應(yīng)用在了汽車的行車安全性與導(dǎo)航方面。隨著社會的不斷發(fā)展與進步，

2、家庭汽車的數(shù)量越來越多，交通事故也與日俱增，交通安全愈來愈引起人們的重視，汽車防撞報警系統(tǒng)也應(yīng)運而生。本文以AT89S51單片機為核心，設(shè)計汽車的防撞報警系統(tǒng)，且借助于DSP技術(shù)，實現(xiàn)了低成本、高精度測距測速功能的FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)防撞雷達設(shè)計方案，同時還利用電磁鐵同性磁極排斥的原理主動減速，達到防撞的效果。該防撞報警系統(tǒng)以毫米波雷達為目標探測方式，提出了一款多功能汽車防撞報警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)適應(yīng)性強，有廣闊的應(yīng)用空間，當(dāng)然還有待于進一步開發(fā)。關(guān)鍵詞：AT89S51單片機，DSP,電磁鐵，毫米波雷達專心-專注-專業(yè)ABSTRACTAutomotive industry and the ele

3、ctronics industry is the industry's two giants, along with the automotive and electronics industries continue to develop and progress in the modern car, more and more widely used in the electronics, automotive electronics higher and higher degree of . Now transport direction is toward high-densi

4、ty development, electronics control technology is further used in the car driving safety and navigation.With the continuous development and progress of society, more and more family vehicle, traffic accidents also grow with each passing day, traffic safety is paid more and more attention, the automo

5、bile anti-collision alarm system also emerge as the times require.This paper takes AT89S51 microcontroller as the core, anti-collision alarm system design of automobile, and with the help of DSP technology, to realize the low cost, high precision ranging measurement function of the FMCW (frequency m

6、odulated continuous wave) radar design, but also the principle of electromagnet magnetic poles repel the deceleration, achieve the collision effect. The collision warning system in millimeter wave radar for target detection, while expanding the tracking and recognition to the target, the track-while

7、-scan radar target detection theory, put forward collision warning system is a multifunctional automobile.The system has strong adaptability, broad application space, of course, also need to be further developed.Key words：AT89S51microcontroller, DSP, electromagnet, millimeter wave rad目錄1 引言1.1課題的提出及

8、意義 隨著人們生活水平的不斷提高，我國汽車的保有量逐年增加，各類交通事故頻頻發(fā)生，其中汽車碰撞事故占大部分，因此汽車防撞報警是亟待解決的問題。歐洲科學(xué)家專門做過一項研究：駕駛員只要在碰撞危險發(fā)生前的0.5秒內(nèi)得到預(yù)警，就至少可以避免60%的追尾事故，30%的迎面碰撞事故和50%的路面相關(guān)事故。如果有一秒鐘的“預(yù)警”時間將會避免90%的交通事故1。若在惡劣天氣條件下，能見度低，視距小，汽車高速行駛時很難發(fā)現(xiàn)前方的障礙物并及時制動2。從經(jīng)濟方面，我國的橋梁、高速公路等的運行受天氣的影響較大，為保障汽車運行安全，遇到惡劣天氣時就以限制車速或關(guān)閉道路來達到安全的目的，這樣將影響道路的通過能力, 除了造

9、成巨大的經(jīng)濟損失外, 使本來擁擠的道路更加阻塞。 在過去的二三十年里，人們主要把精力集中在汽車被動安全性方面的研究。例如：在汽車前部或后部安裝保險杠、在汽車外殼周圍安裝某種彈性材料、在車內(nèi)相關(guān)部位安裝安全帶及安全氣囊3，以減輕汽車碰撞帶來的傷害。所有這些安全措施都不能從根本上解決汽車發(fā)生碰撞時造成的問題。汽車碰撞的主要原因是由于汽車距障礙物的距離太近而相對速度太高造成的。因此，大力研發(fā)汽車防撞報警裝置等主動式汽車安全裝置，減少駕駛員的負擔(dān)與判斷錯誤，對于提高交通安全起到重要的作用。顯然，此類產(chǎn)品的研發(fā)具有極大的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。近年來汽車的自動調(diào)速4、防撞、監(jiān)測、自診斷、導(dǎo)航系統(tǒng)得到了

10、廣泛的應(yīng)用。1.2課題研究現(xiàn)狀交通事故具有不可預(yù)知性，為減少其發(fā)生數(shù)，優(yōu)化日常的交通秩序，如何更好地利用已有的計算機與信息技術(shù)，提升道路的交通安全與效率成為了國內(nèi)外的研究熱點。人們普遍認為80年代后開展的智能化交通的系統(tǒng)研究是解決各類交通安全問題的有效途徑5。智能化交通系統(tǒng)把信息技術(shù)6、電子的控制系統(tǒng)、通訊數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)和計算機的處理系統(tǒng)更加合理地應(yīng)用在運輸管理的體系里7，使得人、車、路與環(huán)境協(xié)調(diào)的統(tǒng)一，建立起了一個準確、實時、高效的綜合運輸?shù)墓芾硐到y(tǒng)8。視覺系統(tǒng)對智能化車輛起到了環(huán)境探測與辨識作用9。同其他的傳感器比較，機器視覺的信息檢測量大，以當(dāng)前條件來解決問題，會導(dǎo)致系統(tǒng)的實時性較差10

11、。通過計算車輛和目標之間的相對距離，并利用自適應(yīng)的濾波對檢測的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，減少了環(huán)境所造成的檢測誤差11。汽車防撞報警系統(tǒng)對提高汽車行駛安全十分重要。從1971年始，在國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了超聲波、雷達、激光、機器視覺、紅外以及交互式智能化等防撞報警系統(tǒng)的研究或者產(chǎn)品。近幾十年，美、日、西歐各國的汽車制造企業(yè)投入了巨資，相繼成功地研究出了單脈沖雷達系統(tǒng)與調(diào)制連續(xù)波雷達系統(tǒng)。以上兩種體制下的雷達防撞報警系統(tǒng)已應(yīng)用在了國外的某些汽車企業(yè)的高檔汽車中，但因為其成本較高而并未得到更加廣泛的運用12。近些年來，價格低廉且高性能的DSP芯片已經(jīng)出現(xiàn)，其推動汽車防撞報警雷達技術(shù)的研究與發(fā)展更上一步，使得汽車

12、防撞報警雷達系統(tǒng)可以在普通的汽車中得到應(yīng)用與普及。由于受到經(jīng)濟技術(shù)水平等因素的影響，我國在汽車防撞報警技術(shù)上的研究起步較晚。因此,相對于國外防撞報警系統(tǒng)的研究水平，我國的車用防撞報警系統(tǒng)的研制水平仍然較低。但在這方面的研究已經(jīng)得到業(yè)界的高度重視。同時，隨著汽車制造產(chǎn)業(yè)競爭的日趨激烈，客戶對汽車各項技術(shù)的要求愈來愈高，愈來愈多樣化。同等價位的汽車若擁有的功能越強大，就越能占領(lǐng)市場，引領(lǐng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)的汽車防撞報警系統(tǒng)由于僅具有單一的防撞報警功能，而不能滿足市場的需求，因此需要拓展其它功能，如對目標的跟蹤和識別功能等，一旦加入這些功能，勢必會增加研發(fā)成本，不利于參與市場競爭。發(fā)展汽車的防

13、撞報警技術(shù)，對于提高汽車的智能化有著重要的意義13。1.3課題研究內(nèi)容和預(yù)期目標本文志在研究一種新型多功能的汽車防撞報警系統(tǒng)。它具有傳統(tǒng)防撞報警系統(tǒng)的預(yù)警功能，又有新的功用。目前，國內(nèi)外運用到汽車上的防撞報警系統(tǒng)主要是“以車輛為中心”，研究大部分都集中于環(huán)境信息感知、安全距離判定和報警方式等方面。本文將設(shè)計了一款多功能新型汽車防撞系統(tǒng)，使系統(tǒng)在未增加太多成本的基礎(chǔ)上，改善傳統(tǒng)防撞報警系統(tǒng)功能過于單一的缺點，使汽車防撞報警系統(tǒng)多功能化，有利于汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。已有的防撞報警系統(tǒng)主要是根據(jù)測定結(jié)果，通過語音來提醒駕駛員人為地減速達到了安全行駛的目的；但高速行駛中的汽車具有很大的慣性，剎車距離會較長，

14、完全依靠駕駛員的人為減速，特別是當(dāng)司機疲勞或無法集中自己的注意力時，很難達到較好的安全行駛效果。因此，本文添加了自動的輔助減速防撞裝置，使汽車能自主提前減速，以達到安全駕駛目的。此設(shè)計以AT89S51單片機為主控單元，用毫米波雷達測距，當(dāng)汽車與其他汽車或障礙物的距離小于設(shè)定的安全距離時，就啟動語音報警裝置，提示司機減速，同時啟動電磁鐵減速裝置。此裝置成本低，設(shè)計簡單，能夠起到輔助減速的目的。2 汽車防撞報警系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1設(shè)計方案的選擇目前汽車防撞報警系統(tǒng)的目標探測方式主要包括激光、超聲波、紅外等，不同目標探測方式的工作過程和工作原理不同，但它們的主要目都是通過返回的探測信息判斷車輛和本車

15、間的相對距離，根據(jù)兩車車距的危險性程度做出預(yù)防措施。下面對不同的探測方式進行介紹和比較。1.激光探測方式激光具有單色性高，方向性和相干性好等優(yōu)點，因此激光波束具有近似直線性，擴散少，波速能量集中，傳輸?shù)木嚯x遠等特點。汽車防撞報警系統(tǒng)采用激光探測技術(shù)的工作原理: 首先本車裝備激光雷達，其發(fā)射的激光波束照射到前車反光鏡，然后測定反射回來的激光波束的到達時間，依據(jù)激光波束從發(fā)射到返回的時間差來判定兩車的距離。激光測距的精度高，技術(shù)上已有了很大的進步。但在汽車防撞領(lǐng)域，其應(yīng)用具有局限性，因為激光測距方式受到天氣狀況、車輛的震動及反光鏡表面磨損、污染等因素的影響較大，測距精度很難保證。所以在汽車防撞領(lǐng)域

16、該測距方式?jīng)]得到應(yīng)用。2.超聲波探測方式超聲波是一種特殊的聲波，具有反射、折射等聲波傳輸過程中的基本的物理特性，而超聲波測距就是利用了其反射的物理特性，其工作原理與聲納的回聲定位原理相似。產(chǎn)生超聲波的發(fā)射器不斷地發(fā)射出某頻率下的超聲波，當(dāng)遇到了被檢測的物體后被反射，而超聲波的接收器會接收到反射來的信號，并將其轉(zhuǎn)變成電信號，再測量出發(fā)射波與反射波之間的時間差值，根據(jù)聲速就可求出距離。而超聲波測距存在一個大問題即探測的距離較短，而且會受到天氣狀態(tài)的影響，因此超聲波測距在像倒車雷達的近距離的測距等方面應(yīng)用較廣。3.紅外線探測方式紅外線測距的工作原理與激光、超聲波測距的相似，都是依據(jù)發(fā)射波與反射時間判

17、定目標物的距離，而紅外線的測距方式在技術(shù)從面上的難度并不大，構(gòu)成測距系統(tǒng)的成本低廉，但在惡劣氣候和長距離的探測方面還是不能滿足車輛防撞報警的目的。4.毫米波探測方式毫米波即波長在110mm內(nèi)的電磁波。運用了毫米波的雷達測距方式，其原理和以上的各種測距方法相似，但卻能克服其他幾種的探測方式的不足。對于毫米波雷達而言，其主要的特征是:1) 探測性能比較穩(wěn)定。毫米波雷達不受被測體的表面形狀和顏色等影響；對于大氣的氣渦、紊流等現(xiàn)象具有良好的適應(yīng)性。2) 對于環(huán)境的適應(yīng)性強。毫米波具有較強的穿透能力，它的測距精度受到霧、雨、雪和陽光等的天氣因素與噪音、污染等的環(huán)境因素的影響比較小，可以保證汽車在任何的天

18、氣情況下都能正常地運行。從上述比較可以發(fā)現(xiàn)毫米波的雷達測距方式比其他的方式具有更高的優(yōu)越性，它可以適應(yīng)車輛防撞報警系統(tǒng)的需求。另一方面，運用毫米波的雷達測距方式，不僅可以測量出目標距離，而且還可以測量出目標體的各種參數(shù)，如相對速度和方位角等，這使汽車能夠在惡劣的氣候條件里達到盲行的目的。另外，在測量條件相同的情況下，若使用毫米波雷達，就會具有結(jié)構(gòu)比較簡單、分辨率高和天線部件尺寸小的優(yōu)點。因此本文選擇毫米波雷達為測距方式，可以很好的實現(xiàn)防撞報警系統(tǒng)的功能，同時也可以實現(xiàn)其他功能。2.2設(shè)計方案的總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)利用DSP技術(shù)高密度算法的能力14，其對反射信號可進行快速處理，并準確計算出兩車間的相對

19、速度和相對距離，然后將其同傳感器實時檢測的行車速度與制動次數(shù)傳送給AT89S51，實時準確的判斷行車安全狀態(tài)。利用AT89S51控制信號的優(yōu)勢，并將判斷結(jié)果通過控制報警信號顯示，傳達給司機，達到監(jiān)測行車安全的目的。同時，安裝在車前和車后的電磁防撞裝置也會起到作用，即使司機沒有采取措施，也會自動減速制動。其整體設(shè)計框圖如圖1信號發(fā)射/接 收單 元傳感器單元回波信號放大、濾波 單 元A/D轉(zhuǎn)換單元主控單 元DSP模 塊電磁鐵減速單元報警顯示單元圖1 整體框架圖汽車防撞報警系統(tǒng)的整體設(shè)計分為傳感器單元，主控單元，信號發(fā)射/接收單元，回波信號放大、濾波單元，A/D 轉(zhuǎn)換單元，DSP 模塊，報警顯示單元

20、，電磁鐵減速單元等8大模塊。1. 傳感器單元主要包括車速傳感器、制動開關(guān)與節(jié)氣門位置傳感器等。車速傳感器選用了霍爾傳感器來測量速度；制動開關(guān)與節(jié)氣門位置傳感器用來測量司機每10s內(nèi)的動作次數(shù)，測定節(jié)氣門曲線信息，確定司機的駕駛特征15，提高了系統(tǒng)的準確性和實時性。2. 主控單元其功能主要是記錄并分析周圍車輛或障礙物信息和本車信息，根據(jù)系統(tǒng)安全車距建立的數(shù)學(xué)模型，并且在獲取各種傳感器信息基礎(chǔ)上，對所有獲取的信息進行計算處理及分析，實時判斷車輛行駛時的安全狀態(tài)，并且把處理的結(jié)果發(fā)送給報警顯示模塊單元，判斷是否發(fā)出報警，提醒駕駛員采取相應(yīng)措施。同時主控單元也會控制電磁鐵減速單元采取輔助減速措施，達到

21、減速制動的目的，保證駕駛員的行車安全。3. 報警顯示單元該單元由發(fā)光二極管、蜂鳴器和LED液晶顯示屏組成，當(dāng)主控單元通過數(shù)據(jù)分析確定存在安全隱患時，就會產(chǎn)生中斷信號傳輸給三極管，并驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警聲，提醒駕駛員采取必要的措施，保證行車安全。同時系統(tǒng)顯示裝置中的發(fā)光二極管閃爍，LED液晶屏顯示出相對距離和危險狀態(tài)。4. 信號發(fā)射/接收模塊單元DSP編碼產(chǎn)生三角波電壓，其控制壓控振蕩器(VCO)，產(chǎn)生了調(diào)頻連續(xù)波信號通過天線向外發(fā)射。本系統(tǒng)利用毫米波雷達的回波信號測量車輛距離與速度，對于發(fā)射信號頻率的穩(wěn)定性與線性度的要求較高，因此采用了集成的微波組件當(dāng)作發(fā)射/接收模塊單元。將回波信號和發(fā)射波的信

22、號混頻，得到了中頻的差拍信號在輸出。5. 回波信號的放大、濾波模塊單元實際情況下發(fā)射/接收單元發(fā)射功率小，所以當(dāng)信號波在空氣中傳播的時候，會迅速減弱，到達了目標并且反射回來的雷達的回波信號的功率也會較小，因此需要進行放大才能完成后續(xù)任務(wù)。回波信號要通過高增益的對數(shù)的放大器放大信號，再通過了隔離、濾波和放大信號后送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器。6. A/D轉(zhuǎn)換單元我們用到的DSP系統(tǒng)不識別模擬信號，只能對數(shù)字信號進行分析和處理。因此我們需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在規(guī)定的時間里將模擬信號處于某一時刻內(nèi)的幅度值變換成一個相對應(yīng)的數(shù)字的信號數(shù)據(jù)，最后把該數(shù)據(jù)送達DSP系統(tǒng)進行相應(yīng)處理。7. DSP模塊單元1）DS

23、P系統(tǒng)產(chǎn)生的調(diào)制信號會使得壓控振蕩器進行工作，并產(chǎn)生出調(diào)頻連續(xù)波向外發(fā)射。調(diào)制信號為一系列調(diào)制三角波。如圖2所示：它表示的是理想三角波，其最大幅度是5V，周期是1000us。但該三角波的實際直線性也不是太理想，我們可以采用平滑技術(shù)方法來改善調(diào)制波信號的直線性。V502Tt圖2 理想三角波2）壓控振蕩器經(jīng)過調(diào)制向外發(fā)射一系列的三角波，其回波信號亦是三角波，兩者關(guān)系如圖3所示: f fufi(t-) fc fi(t+) fL T 2T 3T F 圖3 對比圖圖中：T是調(diào)制周期，fc是載波中心頻率，K為斜率，為延遲時間3)確定信號頻率與信號的頻譜分析。信號頻譜分析主要包括FFT法和非FFT法。FFT

24、法即對分析信號進行傅立葉變換，就是從時域變換到頻域，在頻域內(nèi)進行分析，必要時要經(jīng)過傅立葉逆變換，變回到時域的分析方法。非FFT變換方法就是通過其他某種途徑，獲得信號頻率參數(shù)的方法，像最大熵法，各有千秋。經(jīng)過綜合考慮方法的各種特性，對于毫米波雷達而言，我們應(yīng)首選FFT法，對DSP系統(tǒng)來說，F(xiàn)FT法較成熟，容易實現(xiàn)預(yù)期目的。4)DSP系統(tǒng)直接控制步進電機來實現(xiàn)天線的掃描工作，從而得到了障礙物相對于毫米波雷達的方位信息。天線掃描角度不是360度，而是依據(jù)給定角度，不停循環(huán)。DSP系統(tǒng)會通過某個方波信號控制掃描方向，方波信號在高電平時從左向右掃描，低電平時從右向左掃描。而DSP系統(tǒng)通過另一個延遲方波信

25、號確定天線掃描位置，高電平表示天線在右邊區(qū)域，低電平表示天線在左邊區(qū)域。8.電磁鐵減速單元汽車防撞主要包括正面防撞和追尾防撞兩類，每一種方式除包括同一車道上的相撞外，還可能存在與其他車道上車輛的左、右側(cè)相撞，具體示意圖如圖4。甲車電磁鐵減速單元甲 車行駛 方 車頭 N極向 排 斥 乙 力乙車電磁鐵減速單元 車 車頭 N極 行 駛 方 向 a 正面防撞圖甲車電磁鐵減速單元 甲 車 行 駛 方 向 車尾 N極 排 斥 力 乙 車頭 N極乙車電磁鐵減速單元 車行駛方向b 追尾防撞圖圖4 示意圖圖4(a)表示甲車和乙車相向行駛示意圖，兩車車頭的防撞裝置中的毫米波雷達測距單元不斷監(jiān)測兩車距離，當(dāng)系統(tǒng)檢測

26、到兩車車頭距離達到了事先設(shè)定的極限距離時，就會啟動各自車頭中的電磁鐵減速單元，如圖4，電磁鐵都作為N極出現(xiàn)，兩車之間會產(chǎn)生排斥力，達到輔助自主減速的目的，從而起到防止車輛正面相撞的效果。圖4(b)表示甲車和乙車同向行駛的情況，若存在車輛追尾風(fēng)險，即乙車的車速較快時，乙車車頭與甲車車尾的防撞裝置中毫米波雷達測距單元檢測到兩車車距小于事先設(shè)定的極限距離時，分別向各自的主控單片機發(fā)出信號，主控單片機立即下達啟動電磁鐵減速單元的指令，使乙車車頭與甲車車尾中的電磁鐵減速單元工作，即將乙車車頭與甲車車尾中的磁極設(shè)為N極，因此就產(chǎn)生了排斥力，起到減速效果，使兩車避免了追尾事故的發(fā)生。同理，除了圖4中(a)和

27、(b)兩種情況外，安裝在車輛左右兩側(cè)的毫米波雷達可以探測到相鄰車道中的車輛，實時檢測車距，并發(fā)送信號給主控單元，當(dāng)車距達到預(yù)設(shè)極限值時，啟動電磁鐵減速裝置，也就起到了左右側(cè)防撞的效果。通過毫米波雷達測得相鄰汽車之間的距離，結(jié)合主控單片機，同事先設(shè)定的極限距離作比較后，如果得到距離過近的結(jié)果，主控單片機啟動語音報警單元和電磁鐵減速單元，一方面提醒駕駛員減速，另一方面利用同名磁極相互排斥進行自主減速，起到了汽車防撞的目的。2.3汽車防撞報警系統(tǒng)的工作原理我們根據(jù)測距原理不同將毫米波的雷達測距方式分為脈沖的雷達測距方式與調(diào)頻的連續(xù)波的雷達測距方式兩種。1. 脈沖雷達測距脈沖測距原理(圖5所示) 是通

28、過檢測發(fā)射的脈沖信號和目標反射的信號之內(nèi)的時間差，在結(jié)合了毫米波傳播速度，計算出兩車車距R16。R=C2 （C為光速） （公式1）脈沖雷達測距方式的原理簡單，主要工作是判斷出發(fā)射信號與反射信號間的時間差，但在具體技術(shù)的實現(xiàn)方面存在著一定難度。其主要問題是：對脈沖雷達測距系統(tǒng)來說，當(dāng)與目標物距離較近時，可知發(fā)射的脈沖信號與接收的脈沖信號間的時間就會非常小，這就要求系統(tǒng)必須應(yīng)用高速信號處理技術(shù)，也就使近距離測距變得非常復(fù)雜，使成本大幅上升。因此該測距方式的實用性不強。2. 調(diào)頻連續(xù)波雷達測距與脈沖雷達測距相比，調(diào)頻的連續(xù)波雷達測距具有發(fā)送功率低，信號處理的復(fù)雜度低和成本低的優(yōu)點?，F(xiàn)在汽車的防撞報警

29、系統(tǒng)的研究中正得到了越來越廣泛的運用。因此，本文將以調(diào)頻的連續(xù)波雷達作為測距方式。1）測距原理雷達系統(tǒng)會通過天線來向外發(fā)射出一系列連續(xù)的調(diào)頻的毫米波，然后，接收目標物反射來的信號，并且發(fā)射波頻率會隨時間按照調(diào)制電壓規(guī)律而變化。而反射波和發(fā)射波形狀相同，不同點是有一個延遲時間，與目標物距離R的關(guān)系也可用公式1來表示。2）測速原理當(dāng)反射信號來自一個相對運動的物體，反射信號波中就包括一個由目標物相對運動所產(chǎn)生的多普勒頻移fd。那么依據(jù)多普勒原理，目標物的相對速度可用式（2）表示：v=Cfd2f0=fd2 （公式2）公式中f0是發(fā)射波中心頻率，是發(fā)射波波長發(fā)射信號前方車輛接收信號 T圖5 示意圖車輛在

30、行進過程中，車輛四周防撞裝置中的毫米波雷達測距單元處在工作狀態(tài)，當(dāng)雷達檢測到本車與其他汽車或障礙物的距離小于預(yù)設(shè)的安全距離時，系統(tǒng)會發(fā)送信息到主控單片機，主控單片機會發(fā)送相應(yīng)指令到語音報警單元以提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施，同時車輛電磁鐵減速單元將收到主控單片機的啟動指令，汽車間相應(yīng)的電磁鐵減速單元將迅速啟動，電磁鐵減速模塊單元可都設(shè)定為同名N極，由于同名磁極相互排斥，使汽車能夠自主減速，有效避免了汽車相撞事故的發(fā)生。如果未達到預(yù)設(shè)距離，那么電磁鐵單元不會啟動，汽車處在正常行駛狀態(tài)，此時毫米波雷達測距單元處于監(jiān)測狀態(tài)。3 汽車防撞報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計本文設(shè)計的汽車防撞報警系統(tǒng)包括傳感器單元，主控單元

31、，信號發(fā)射/接收單元，回波信號放大、濾波單元，A/D轉(zhuǎn)換單元，DSP模塊，報警顯示單元，電磁鐵減速單元等8大模塊。其電路設(shè)計包括了：電源電路設(shè)計、LED顯示電路設(shè)計、聲光報警電路設(shè)計、電磁鐵減速電路設(shè)計等。通過這些設(shè)計不僅能實現(xiàn)聲光報警，而且還能實現(xiàn)主動的電磁鐵減速，達到了防撞報警和減少交通事故發(fā)生率的目的。本文所設(shè)計的系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖6，是其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。天線VCO環(huán)形器調(diào)制三角波混頻器步進電機中頻信號A/DLED 主控 單元DSP復(fù)位電路電磁鐵減速單元I/OSPISPII/O信號調(diào)理電路節(jié)氣門位置傳感器電源管理速度傳感器蜂鳴器ROM圖6 硬件框架圖3.1單片機的選型與其他

32、單片機相比，AT89S51單片機是一個功耗低、性能高的CMOS 8位單片機，內(nèi)部含有8位微處理器，128B RAM，4 KB Flash ROM，4個8位的可編程并行I/O口，1個全雙工的異步串行口，2個可編程的16位定時器/計數(shù)器，1個看門狗定時器，中斷系統(tǒng)有5個中斷源、5個中斷向量，26個特殊功能寄存器，低功耗節(jié)電模式有空閑模式和掉電模式，3個程序加密鎖定位。片內(nèi)的4 KB ISP可反復(fù)讀寫1000次，其采用了ATMEL公司高密度、非易失性存儲技術(shù)，兼容了標準的MCS-51指令系統(tǒng)和80C51的引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部集成通用8 位的中央處理器與ISP Flash 存儲器單元。因此，AT89S5

33、1單片機可以為多種嵌入式的控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了高性價比解決方案。如圖7所示。圖7 AT89S51引腳圖與AT89C51單片機相比，其具有的優(yōu)點是：（1）新增了在線的可編程的功能，靈活的在線編程方式使得現(xiàn)場編程調(diào)試與修改更加的方便靈活。（2） 其將數(shù)據(jù)的指針添加到了兩個，便于對片外的RAM訪問的過程。（3） 新增了看門狗的定時器，提高系統(tǒng)抵抗干擾的能力。（4） 增加掉電標志。（5） 增加掉電狀態(tài)中的中斷的恢復(fù)模式。3.2 DSP芯片的選擇本文的DSP芯片選用了TI公司32位的定點數(shù)字信號處理器TMS320F281217芯片，此芯片的功耗低(內(nèi)核是1.8V，I / O口的電壓是3.3 V) ，其可以

34、有效的減少了可攜帶式系統(tǒng)的功耗; 此芯片也具有1個高速、同步串行的外設(shè)接口SPI，其能夠與AT89S51單片機連接，并進行數(shù)據(jù)的通信工作。AT89S51單片機采用5V的工作電壓，端口I/O引腳可允許 5 V輸入信號電壓，每一個I / O口都與SPI總線連接。3.3發(fā)射前端電路圖8 發(fā)射前端電路圖中，電容C1、C2和電感L1構(gòu)成了LC整流濾波部分，IN4742穩(wěn)壓管D1就起到了穩(wěn)壓保護作用。3.4中頻放大電路圖9 中頻放大電路圖中Q1、R2和R3構(gòu)成基本的共射放大；穩(wěn)壓管D1起到保護作用；C1隔離直流；C2和R2起到電壓負反饋的作用。3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路圖10 A/D轉(zhuǎn)換電路3.6 LED顯示

35、電路本文所設(shè)計的系統(tǒng)的顯示模塊是采用了LCD顯示其測距數(shù)值的。TC1602的顯示容量是2行（也就是16個字）。液晶顯示屏的優(yōu)點是功耗較低、體積較小、顯示的內(nèi)容比較豐富、厚度超薄、適用較方便等。其和數(shù)碼管比較，顯得更加專業(yè)與美觀。本文從價格從面上來考慮，采用了數(shù)碼管來顯示。數(shù)碼管包括共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管兩類，本文設(shè)計的系統(tǒng)中采用了共陰極數(shù)碼管，它的工作原理是：公共端應(yīng)接地（即低電位），然后在給ah各段賦上高電位，那么就可以顯示不同數(shù)值了。AT89S51單片機經(jīng)過P0端口輸出了數(shù)字50的二進制的代碼，也就給數(shù)碼管設(shè)置了段值，再經(jīng)過P2口把數(shù)碼管置于位選通，那么數(shù)碼管就能顯示出了設(shè)置的安全極限

36、距離50cm。其原理是：當(dāng)P2.4P2.7端口是高電平，則三極管就截止，S1S4是低電平，則數(shù)碼管就位選通；當(dāng)P2.4P2.7端口是低電平，則三極管就導(dǎo)通，S1S4是高電平，那么對于P2.4P2.7端口賦予了高電位或者低電位時，可選擇數(shù)碼管的不同位亮來顯示，如圖11所示：圖11 數(shù)碼管顯示電路3.7聲光報警電路本文設(shè)計的報警電路包括NE555電路、發(fā)光二極管和揚聲器（YSG）等三部分18，如圖12。當(dāng)汽車與目標物之間的距離大于其安全距離時，我們可知AT89S51單片機P2.2管腳輸出是高電平，經(jīng)過反相器到達了NE555的第4管腳時是低電平，那么NE555不工作，發(fā)光二極管也就不亮，揚聲器也不發(fā)

37、聲。汽車與目標物之間的距離小于其安全距離時，AT89S51單片機P2.2管腳輸出是低電平，經(jīng)過反相器到達了NE555的第4管腳時是高電平了，那么NE555就開始工作，產(chǎn)生了振蕩，發(fā)光二極管經(jīng)過三極管驅(qū)動被點亮，與此同時，電容耦合濾除了直流分量使得揚聲器發(fā)出了報警聲音。圖12 報警電路3.8電磁鐵減速單元模塊電路如圖13是電磁鐵驅(qū)動原理圖，電磁鐵是利用鐵心線圈通電后產(chǎn)生磁力吸引銜鐵來工作的，當(dāng)電源被切斷時，電磁鐵磁性也會隨之消失了。電磁鐵主要是由線圈、鐵芯和銜鐵等組成的。本文的裝置采用了U型電磁鐵作為了汽車防撞的主要輔助設(shè)備，包含了1個U型鐵芯，2個線圈和1個銜鐵，在線圈面纏繞上塑料帶表示線圈繞

38、向，電磁鐵之所以要做成U型是因為其可以使得磁感線在工件內(nèi)部形成了通路，也就能增強排斥力。本文的設(shè)計采用了車頭和車尾統(tǒng)一裝配的U型電磁鐵。車頭與車尾的N極與S極都設(shè)置在同一側(cè)，這就能夠使兩輛車在同向與相向行駛時都產(chǎn)生排斥力。當(dāng)毫米波雷達測距單元檢測到車輛或障礙物時，單片機P0端口相應(yīng)管腳輸出為低電平，那么在光耦芯片內(nèi)部發(fā)光二極管就會發(fā)光，另外三極管由截止狀態(tài)變成了導(dǎo)通狀態(tài)，電源電壓也就加到了電磁鐵P7上面，電磁鐵也就開始正常工作了。 圖13 電磁鐵減速單元模塊電路3.9電源電路設(shè)計圖14是系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換電路的示意圖，該電源選用了TI公司專門為DSP芯片設(shè)計的電源芯片單元TPS767D301，該芯片

39、能夠?qū)?5 V電壓轉(zhuǎn)變成3.3 V的數(shù)字電壓、3.3V的模擬電壓和 1.8V的數(shù)字電壓，我們可以在電源芯片輸入輸出端并聯(lián)上10 F和0.1 F的電容，在3.3V的數(shù)字電壓和3.3 V的模擬電壓間添加了電感元件，改善了芯片的瞬態(tài)響應(yīng)性和穩(wěn)定性。圖14 DSP電源電路本文所設(shè)計的電源模塊是采用了LM7805的三端穩(wěn)壓的集成電路，采用LM7805的三端穩(wěn)壓IC所組成的穩(wěn)壓電源需要的外圍元件數(shù)極少，電路的內(nèi)部還具有了防止過流、過熱和保護調(diào)整管的電路。LM7805表示的是輸出電壓是+5V。該電路利用了LM7805芯片，不僅生成了穩(wěn)壓電源，而且并聯(lián)一個發(fā)光二極管與限流電阻，在有電流通過時，二極管就會發(fā)光；

40、沒有電流時，二極管不發(fā)光。可以實現(xiàn)對于電源的檢測工作，發(fā)現(xiàn)電源的供給問題。如圖15所示。圖15 單片機電源電路4 汽車防撞報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計本文在系統(tǒng)硬件構(gòu)建了毫米波雷達測距的基本功能后，那么系統(tǒng)的軟件所能實現(xiàn)的功能就是系統(tǒng)功能如何實現(xiàn)以及數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的實現(xiàn)。根據(jù)上述系統(tǒng)硬件設(shè)計及其所能完成的功能，本文的系統(tǒng)軟件能實現(xiàn)以下的功能：一、信號控制功能如上所述，在硬件中完成了發(fā)射/接收電路、電源電路設(shè)計、LED顯示電路、.聲光報警設(shè)計電路、電磁鐵減速單元模塊的設(shè)計。那么，在系統(tǒng)軟件中就要完成增益控制、門控、發(fā)射脈沖、遠近控制信號的時序及輸出。二、數(shù)據(jù)存儲功能為得到發(fā)射信號和接收回波信號之間的時間差

41、，就要讀出此刻計數(shù)器上的計數(shù)值，存儲到了RAM中，在每次發(fā)射周期開始的時候，就需要對計數(shù)器進行清零處理，以備后續(xù)工作的正常進行。三、數(shù)據(jù)傳輸與顯示功能經(jīng)過軟件處理得到兩車之間的距離其顯示輸出是用三位LED表示的。由于本文采用單片機AT89S51并且考慮到整個系統(tǒng)在實現(xiàn)其功能時的控制流程，那么整個系統(tǒng)軟件就都有AT89S51單片機匯編語言來實現(xiàn)。我們知道距離值的得出和顯示是由中斷子程序來實現(xiàn)的，所以在初始化發(fā)射程序之后就會進入了中斷響應(yīng)程序的等待步驟。中斷響應(yīng)程序之后，原始數(shù)據(jù)會經(jīng)過計數(shù)值和距離值換算的子程序，并經(jīng)過二進制和十進制轉(zhuǎn)換的子程序之后顯示輸出。系統(tǒng)軟件功能包括主程序和中斷服務(wù)程序。4

42、.1 主程序當(dāng)汽車防撞報警系統(tǒng)發(fā)出報警時，駕駛員在采取了相應(yīng)的措施之后，如果系統(tǒng)檢測到車輛還是處在危險情境內(nèi)，那么系統(tǒng)將會持續(xù)發(fā)出報警，直到車輛能夠脫離危險范圍，為了防止駕駛員的操作失誤或者對危險情況估計不足等引發(fā)事故，系統(tǒng)并不設(shè)置抑制報警發(fā)出，這樣可以增加了系統(tǒng)的安全行駛性能。圖16是系統(tǒng)的主程序流程框圖，程序會先將系統(tǒng)初始化( DSP、LED、AT89S51) ; 然后，在實時的檢測出V1、V的數(shù)值，我們設(shè)定當(dāng)V130 km / h 時，那么車速就過小且不易發(fā)生碰撞，需要重新做出檢測，而當(dāng)V0時，那么就說明了前車正在遠離本車，沒有碰撞的危險發(fā)生，不會給予報警; 而當(dāng)V130 km / h，

43、且V0時，系統(tǒng)會將DSP所得到的數(shù)值V、R與AT89S51所得到的數(shù)值S1、S2進行了邏輯上的分析、比較，做出判斷; 而當(dāng)S2RS1時AT89S51單片機就會向I/O端口發(fā)出了中斷信號，那么報警顯示模塊單元就會向駕駛員發(fā)出報警信號，且當(dāng)RS2時會發(fā)出危險報警的信號，否則就會返回，且重新初始化檢測。開始系統(tǒng)初始V1>30Km/h、V>0NY信號處理子程序計算V、R計算V2，確定碰撞模型計算安全距離S1、S2提醒報警S2<R<S1Y危險報警R<S2 NNY電磁減速圖16 系統(tǒng)的主程序流程框圖4.2控制程序流程設(shè)計本系統(tǒng)在初始化以后就啟動了定時器T1，然后從0開始了計數(shù)

44、。此時的主程序就進入了等待，當(dāng)?shù)竭_了65ms時，定時器T1溢出，就進入了T1的中斷服務(wù)子程序；那么在T1的中斷服務(wù)子程序里會啟動了一次新的毫米波發(fā)射，這時將開始在P1.0引腳上面產(chǎn)生出毫米波，同時也開啟了定時器T0來計時，為避免其折射波繞射，就需要在延時1ms之后再開啟INT0中斷允許；當(dāng)INT0中斷允許開啟之后，如果此時的P3.2(INT0)引腳顯示為低電平，那么代表其收到了回波信號。將會提出了中斷請求，在進入了INT0的中斷服務(wù)子程序，本系統(tǒng)在INT0的中斷服務(wù)子程序里將會停止T0的計時，在讀取T0的時間值送到相對應(yīng)存儲區(qū)內(nèi)，同時在設(shè)置了接收成功的標志；AT89S51單片機會調(diào)用計算距離的

45、子程序，就計算出了傳感器與目標物體的間距；在此之后主程序在調(diào)用了顯示子程序顯示測量結(jié)果；如果超過了設(shè)定的極限距離還會啟動聲光報警電路，同時，電磁鐵減速電路也會啟動。在一次的發(fā)射、接收、顯示、報警、減速過程完畢之后，本系統(tǒng)會延遲100ms，在重新將T1初始化，再啟動定時器T1以溢出，后進入了下一次的測距。如果本系統(tǒng)因目標物過遠而超出了量程，導(dǎo)致當(dāng)T0溢出的時候，并沒有接收回波信號，那么就顯示“ERROR”，在重新返回主程序的流程里，然后進入了新的一輪測試。開始系統(tǒng)初始化啟動T1定時65秒，開T1中斷T1定時器65ms定時到進入T1中斷服務(wù)子程序計時發(fā)毫米波脈沖回波接收成功關(guān)總中斷允許EA調(diào)用距離

46、計算子程序距離小于預(yù)設(shè)值調(diào)用聲光報警和電磁減速子程序調(diào)用子程序顯示距離并延時清回波接收成功標志位T0溢出調(diào)用子程序NNYYYNY圖17 主程序的流程框架5 結(jié)論5.1 硬件調(diào)試第一步是通電觀察階段。首先將電路通電，觀察一下有無異常現(xiàn)象發(fā)生，例如有無器件冒煙的現(xiàn)象，有無異常氣味的現(xiàn)象，用手摸一下集成電路外封裝，看是否發(fā)燙等。如出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，就應(yīng)該立即切斷電源，待排除完故障以后再通電。第二步是靜態(tài)調(diào)試階段。我們將信號的輸入端加上了固定的電平信號，在進行了直流測試，這時可以利用萬用表測量電路中各點電位，然后，通過與理論估算值進行比較，再結(jié)合了電路分析原理，判斷出電路在直流工作狀態(tài)是否正常工作，并且

47、及時的發(fā)現(xiàn)電路中已經(jīng)損壞或者處在臨界工作狀態(tài)的電路元件。然后，通過更換了元器件或是調(diào)整了電路參數(shù)，可以使電路在直流的工作狀態(tài)時符合設(shè)計的整體要求。第三步是動態(tài)調(diào)試階段。動態(tài)調(diào)試就是在靜態(tài)的調(diào)試基礎(chǔ)上，在電路輸入端上加了合適的信號，再依據(jù)信號流向，利用示波器順序檢測出各個檢測點上輸出的信號信息，如果發(fā)現(xiàn)了不正常的現(xiàn)象，應(yīng)立即分析出原因，并及時排除故障，再進行重復(fù)調(diào)試，直到達到滿足的要求為止。5.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試就是在把編制的程序投入到實際的運行前，采用手工或編譯程序等的方法進行初步測試，這樣可以修正語法上的錯誤和邏輯上的錯誤。這也是保證單片機能夠正確運行的不可或缺的步驟。我們在編完了單片機程

48、序之后，必須要送入到單片機中進行測試。我們把軟件調(diào)試的過程分為了兩步：第一步是利用軟件調(diào)試程序。我們可以把編輯完的匯編語言程序進行編譯連接的操作，這樣可以消除基本的語法上的錯誤，再利用軟件自帶的調(diào)試工具來進行必要的程序調(diào)試工作。第二步是聯(lián)系程序?qū)嶋H運行情況來調(diào)試程序。這一步主要是為了消除程序中的邏輯上的錯誤，因為當(dāng)我們在編輯程序時，邏輯思維上有可能會出現(xiàn)漏洞，這樣會導(dǎo)致程序在操作時出現(xiàn)錯誤。我們將編輯完的匯編語言源程序編譯成了hex文件，在把hex文件下載到了單片機中。這樣通過實際操作可以發(fā)現(xiàn)邏輯上的錯誤，就會不斷的修改所編程序，最終會達到預(yù)先設(shè)定的各種操作步驟和顯示格式等各方面的要求。5.3

49、仿真實驗本次實驗通過了計算機隨機的輸入了相對距離R與相對速度V來代替雷達傳感器上的數(shù)據(jù)，并設(shè)定了本車速度的大小來代替霍爾傳感器元件，達到了驗證系統(tǒng)可靠性的目的。為了使本次實驗不但能夠滿足驗證系統(tǒng)可行性的要求，而且還能夠使驗證更加簡便，使實驗的結(jié)果更加的明確。本次實驗設(shè)定，駕駛員駕駛特征是穩(wěn)重型的，其連續(xù)的駕車時間是2.5h，車輛是液壓式的制動方式，行駛路面是干燥的瀝青馬路。我們利用燒錄工具來隨機的向系統(tǒng)內(nèi)輸入了V、R，本車的速度分別是60千米/小時、80千米/小時與 100千米/小時的時候，表1是部分的實驗的驗證結(jié)果。而圖18是本車速度是100千米/小時、相對速度是20千米/小時，而相對距離是

50、80米、40米與20米時的汽車顯示報警狀況。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以準確的判斷出了車輛間的危險狀態(tài)，同時通過發(fā)光二極管和LED顯示電路報警提醒駕駛員注意行車安全。表1 參數(shù)表v1/(km·h-1)V/(km·h-1)R/mS1/mS2/mLED行車狀態(tài)報警頻率6060405030LED2提醒低80-1030150LED3安全無8030405933LED2提醒低10020206532LED1危險高10020406532LED2提醒低10020806532LED3安全無a 80mb 40mc 20m圖18 界面圖5.4 測試結(jié)果本文為保證實際情況下的汽車防撞報警系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地工作，我們對各個單元模塊和程序都運用了仿真軟件protus進行仿真測試工作。但是實際制作出來的電路與理論又會存在一定的差距，因此我們還利用了實驗儀器對此防撞報警系統(tǒng)進行了有關(guān)的測試。在本電路的調(diào)試過程中，如果一直發(fā)射毫米波，在7腳就會有周期性的低電平產(chǎn)生。不像通常認為的那樣，即如果一直發(fā)射信號的話，7腳一直是低電平。測試過程