车辆防撞系统设计Word下载.docx
《车辆防撞系统设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《车辆防撞系统设计Word下载.docx（39页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
3.2.2单片机最小硬件系统电路设计 8
3.3测速模块 9
3.3.1测速传感器的选择 9
3.3.2测速电路设计 10
3.3.3速度的计算模型 11
3.4雨滴感应模块 11
3.5测雨量模块 11
3.5.1雨量传感器的选择 11
3.5.2雨量传感器检测原理 12
3.5.3雨量传感器发射电路 13
3.5.4雨量传感器接收电路 13
3.6声光报警模块 14
3.7测距模块 15
3.7.1测距传感器的选择 15
3.7.2测距模块电路设计 16
3.8稳压电路 17
4软件设计 18
4.1测速子系统程序设计 18
ii
4.2测距子系统程序设计 18
4.3软件的调试 18
5总结 19
参考文献 20
致谢 21
附录 22
iii
Contents
Abstract 2
1Introduction 3
1.1Propositionandsignificanceofthesubject 4
1.2Currentresearchsituation 4
1.3Contentandexpectationoftheresearch 4
2Theoreticalbasisofsystemdesign 5
2.1Safefollowingdistance 6
2.2Brakingdistance 6
2.2.1Brakingprocessanalysis 6
2.2.2Brakingdistancecalculation 6
2.2.3Modelingofbrakingdistanceunderdifferentroadconditions 7
3Systemhardwaredesign 8
3.1Overalldesignofthesystem 8
3.2Microprocessor 8
3.2.1Microprocessoroptions 9
3.2.2Singlechipmicrocomputer,minimumhardwaresystem,circuitdesign 9
3.3Tachometermodule 9
3.3.1Selectionofspeedsensor 10
3.3.2Speedmeasuringcircuitdesign 10
3.3.3Calculationmodelofvelocity 11
3.4Raindropsensingmodule 12
3.5Rainfallmeasuringmodule 12
3.5.1Selectionofrainsensors 13
3.5.2Detectionprincipleofrainsensor 13
3.5.3Rainsensortransmittingcircuit 14
3.5.4Receivingcircuitofrainsensor 14
3.6Acoustoopticalarmmodule 14
3.7Rangingmodule 15
3.7.1Rangesensorselection 16
3.7.2Circuitdesignofrangingmodule 16
3.8Voltagestabilizingcircuit 17
4Softwaredesign 18
4.1Speedsubsystemprogram 18
4.2Rangingsubsystem 18
4.3Softwaredebugging 18
5Summary 19
Reference 20
Thank 21
Appendix 22
vi
基于路面条件的跟车距离检测与预警系统设计
刘立成
（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）
摘要：
本文讲述了一种基于AT89S52单片机的安全跟车距离检测与预警系统。
该系统由霍尔速度传感器、微波雷达测距传感器、雨滴感应器、雨量传感器、报警装置等模块组成，采用52单片机和DSP作为数据处理单元。
汽车的制动距离受路面附着系数和车速的影响，因此用测速传感器和雨量传感器来测速和确定路面附着系数进而确定汽车的制动距离。
用测距传感器测得的跟车距离与制动距离相比较进而判断汽车行驶时是否存在安全隐患。
雨量传感器和测距传感器不需要在汽车的任何行驶条件下一直保持工作状态，因此该系统采用两个单片机将各传感器分隔在两个子系统中，第一个单片机根据雨滴信号和速度信号通过继电器来控制测距雷达和雨量传感器电源的通断。
采用两个子系统可以减少系统发热和降低功耗。
关键词：
单片机微波雷达雨量传感器霍尔传感器报警装置
Designofvehiclefollowingdistancedetectionandwarningsystembasedonroadcondition
LichengLiu
（ShandongAgriculturalUniversity，SchoolofmechanicalandElectronicEngineering，Tai'
an271018）
AbstractThispaperdescribesasecurityandvehicledistancedetectionandwarningsystembasedonAT89S52microcontroller.ThesystemiscomposedofHallspeedsensor,microwaveradarsensor,rainfallsensor,alarmdeviceandsoon.ThemicrocontrollerandDSPareusedasdataprocessingunits.Thebrakingdistanceofthevehicleisaffectedbythecoefficientofroadadhesionandthespeedofthevehicle.Therefore,thespeedsensorandtherainfallsensorareusedtospeedupanddeterminethecoefficientofroadadhesion,andthendeterminethebrakingdistanceofthevehicle.Thedistancemeasuredwiththedistancesensoriscomparedwiththebrakingdistance,soastojudgewhetherthereisanyhiddendangerwhenthevehicleisrunning.Therainfallsensorandrangingsensordoesnotneedtokeepworkinginanydrivingconditionofthevehicle,sothesystemusestwomicrocontrollertoeachsensorandseparatedintotwosubsystems,thefirstsingle-chipbasedonRaindropsignalandspeedsignalthroughtherelaytocontroltheradarrainfallsensorandpoweroff.Usingtwosubsystemscanreducesystemheatingandreducepowerconsumption.
Keywords:
MCU,millimeterwaveradar,hallsensor,rainfallsensor,alarmdevice
1绪论
1.1课题的提出及意义
随着人们生活水平的提高，我国汽车的保有量逐年增加，各类交通事故发生频率也不断增加，据国家统计局统计2016年交通事故总数为187781起，其中汽车交通事故为129155起。
交通事故中汽车碰撞事故占很大部分，因此汽车防撞报警是亟待解决的问题。
高速公路上发生的交通事故一般比较突然，驾驶员往往没有充足的时间采取适当的措施。
欧洲科学家专门做过一项研究：
驾驶员只要在碰撞危险发生前的0.5秒内得到预警，就至少可以避免60%的追尾事故，30%的迎面碰撞事故和50%的路面相关事故。
如果有一秒钟的“预警”时间将会避免90%的交通事故[1]。
因此汽车就越来越需要配备跟车距离检测和预警装置使驾驶员有充足的反应时间。
被动安全装置通常指的是在交通安全事故发生之后能尽量减小人体损伤的安全装置，包括对乘客以及行人的保护。
这种装置不能防止或避免交通事故的发生它们只能在事故发生时，在很大程度上减轻人身伤害程度。
汽车的发展进程中，人们主要把精力集中在汽车被动安全性方面的研究。
例如：
在汽车上使用安全玻璃、在汽车前部或后部安装保险杠、在汽车上装备安全座椅、在汽车外壳周围安装某种弹性材料、在前排座椅设置保护系统、在车内相关部位安装安全带及安全气囊。
所有这些安全措施都不能从根本上解决汽车发生碰撞时造成的问题。
主动安全利用智能视野增强系统、全方位车辆防撞系统、智能路线控制系统扩展驾驶员感知环境和控制车辆能力，将保护提到事故发生之前。
所以具有主动安全的汽车，当然就有着比较高的避免事故能力，尤其在突发情况的条件下保证汽车安全。
安全跟车距离检测与预警系统就是一种主动安全系统，它能有效的对汽车行驶环境做出准确的判断达到降低事故发生率的目的。
1.2课题研究现状
交通事故具有不可预知性，为减少其发生数，优化日常的交通秩序，如何更好地利用已有的计算机与信息技术，提升道路的交通安全与效率成为了国内外的研究热点。
人们普遍认为80年代后开展的智能化交通的系统研究是解决各类交通安全问题的有效途径[2]。
智能车是计算机、通讯等最新科技成果与现代汽车工业互相结合的产物，因而能够更好地理解人们的意图使驾驶更加安全方便。
通常具有自动驾驶、自动变速，甚至具有自动识别道路的功能。
另外，智能车内的各种辅助设施也一应电脑化，常常给人以新奇感[3]。
智能车辆是一套集环境意识，规划决策，多层次辅助驾驶等功能于一体的综合系统，重点是对电脑、现代感知、信息融合、通讯、人工智能和自动控制技术的应用，是典型的高科技综合体，具有自动识别路障，自动报警，自动制动，自动维持安全距离和巡航控制等功能。
智能车辆致力于提高汽车的安全性能，舒适性能和提供优良的人车交互界面，是智能交通系统发展的重点，是世界汽车工程研究热点和汽车行业发展新势头的重要组成部分。
随着科学技术的发展，特别是计算机技术、控制技术、信息技术、人工智能、电子技术的跨越式发展，智能车辆技术已经实现了技术基础。
目前，智能车辆技术主要应用于汽车和重型车辆的碰撞预警系统，防碰撞辅助驾驶系统，智能速度适应和自动化运行。
其军事应用更加广泛和重要。
智能车是汽车行业的未来发展趋势，也是人们日益要求未来汽车未来发展方向的要求。
汽车防撞报警系统对提高汽车行驶安全十分重要。
从1971年始，在国内外相继出现了超声波、雷达、激光、机器视觉、红外以及交互式智能化等防撞报警系统的研究或者产品。
近几十年，美、日、西欧各国的汽车制造企业投入了巨资，相继成功地研究出了单脉冲雷达系统与调制连续波雷达系统。
以上两种体制下的雷达防撞报警系统已应用在了国外的某些汽车企业的高档汽车中，但因为其成本较高而并未得到更加广泛的运用[4]。
近些年来，价格低廉且高性能的DSP芯片已经出现，其推动汽车防撞报警雷达技术的研究与发展更上一步，使得汽车防撞报警雷达系统可以在普通的汽车中得到应用与普及。
由于受到经济技术水平等因素的影响，我国在汽车防撞报警技术上的研究起步较晚。
因此,相对于国外防撞报警系统的研究水平，我国的车用防撞报警系统的研制水平仍然较低。
但在这方面的研究已经得到业界的高度重视。
1.3研究内容与技术参数
该设计旨在研究一种安全跟车距离检测与预警系统。
与传统预警系统相比，该系统配备了雨量传感器，它能够根据受天气影响的路面状况得出不同的安全跟车距离然后与实际跟车距离相比较，进而发出相应的报警信号。
同时系统配备声音报警模块向驾驶员传递报警信号，而不采用显示屏或灯光警示装置，以使驾驶员集中精力驾驶。
论文主要包含以下内容：
（1）系统微处理器的选型；
（2）各种传感器的比较选择，包括雨量传感器、测距传感器、速度传感器的选择以及各种传感器测量原理的简单概述；
（3）系统工作原理的讲述；
（4）系统各模块硬件的设计；
（5）系统软件的设计；
（6）最后对整个设计进行了总结及展望。
一些技术参数规定如下
工作电压（v）5
工作温度（℃）-20～80
雷达调制频率（Hz）100～200
雨量传感器工作频率（KHz）38
2系统设计的理论依据
2.1安全跟车距离
安全车距是指后方车辆为了避免与前方车辆发生意外碰撞而在行驶中与前车所保持的必要间隔距离。
保持安全车距是防止追尾事故最直接、最有效、最广泛和最根本的方法。
安全跟车距离没有绝对的数字概念，它视具体情况而定。
一般来说，车速越快、车重越大，安全车距所需要的间隔长度也就越长。
安全车距还会受很多其他因素影响，比如天气情况、光照强度、司机视力、刹车设备、路面状况等。
本文以家用轿车为研究对象考虑车速及路面状况对安全跟车距离的影响。
为使后车足够安全假定前方车辆发生意外时立即静止不动，因此安全跟车距离应大于后车的制动距离S。
于是系统要测定的关系转变为后车制动距离S与实际跟车距离L的关系。
当S＜L时，汽车行驶安全。
当S≥L时，汽车行驶存在潜在危险。
2.2制动距离
2.2.1制动过程分析
t1为驾驶员的反应时间，一般在0.3～1.0s。
t2为制动器的作用时间，一般在0.3～0.9s。
t3为持续制动时间，此段时间内减速度基本保持不变。
驾驶员在松开制动踏板后，制动力的消除还需要一段时间，t4一般在0.2～1.0s。
从汽车制动的全过程来看，该过程总共包括驾驶员见到信号后做出行动反应、制动器起作用、持续制动和放松制动四个阶段[5]。
制动距离一般为开始踩着制动踏板到完全停车的距离，但该系统的制动距离需将驾驶员反应时间内汽车的行驶距离S1考虑在内。
所以制动距离S为驾驶员反应、制动器起作用、持续制动三个阶段汽车驶过的距离S1、S2、S3之和。
整个制动过程如图2-1所示
FP,ab
FP
ab
0t’1t’’1t’2t’’2t
t1t2t3t4
t0
图2-1制动过程
2.2.2制动距离计算
在驾驶员反应时间段t1，汽车的行驶距离由初始车速v0和驾驶员反应时间决定,计算公式为
（1）
在制动器作用时间内，汽车的行驶距离指制动踏板自由行程和制动上升时间的行驶距离，计算公式为
（2）
在持续制动阶段内，车辆以最大制动减速度停车，此段时间内汽车的行驶距离计算公式为
（3）
整个制动过程中汽车的行驶距离为
（4）
将汽车的行驶速度由m/s转化为km/h，将
（1）
（2）（3）带入（4）得
（5）
2.2.3不同路面条件下的制动距离建模
汽车在高速公路上行驶受天气条件影响较大，不良天气会导致路面附着系数减小，使汽车制动时间和制动距离难以确定[6]。
由文献[5]可知，汽车的制动力学方程为
（6）
其中，a为汽车制动减速度m/s2；
为轮胎与路面的附着系数，随着车轮滑移率的变化而变化；
g为重力加速度m/s2。
由（6）可得不同路面条件下制动距离计算模型为
（7）
本文中高速公路为沥青路面，选取道路—车轮附着系数的值如表2-1[7.8]。
取g=9.8m/s2,可得各个附着系数下制动距离s随初始速度v0的变化规律。
表2-1道路—车轮附着系数值
路面状况
干燥
潮湿
积水
道路—车轮附着系数
0.8
0.7
0.6
3系统硬件设计
3.1系统的总体设计
目前大部分汽车都配备了速度传感器和雨量传感器。
速度传感器在汽车的任何行驶状况下都必须连续不断的工作以提供汽车的行驶速度，而雨量传感器和测距传感器不需要一直保持工作状态，所以将系统分割成两个子系统：
用于感应雨滴和检测车速的测速子系统；
用于测距、测雨量和预警的测距子系统。
将系统分成两个子系统可以降低功耗，减少处理器的发热。
由上所述可知该系统需要两个单片机，并对两个单片机建立联系。
其中第一个单片机连接速度传感器和雨滴感应器并且连接控制第二个单片机和红外发射电路电源通断的继电器；
第二个单片机连接测距模块、雨量传感器和语音播报装置，实现测距、确定路面附着系数和语音提示的功能。
其中测距模块包括DSP、测距传感器以及中间电路。
系统硬件的总体框图如图3-1。
图3-1系统硬件总体框图
3.2微处理器
3.2.1微处理器的选择
近年来，随着科学技术的发展，微型计算机技术日益发展，已经在许多领域得到了广泛的应用。
随着集成电路工艺的发展，出现了单片机、DSP,ARM等多种微处理器。
选用ATMEL公司生产的AT89S52单片机进行测速、测雨量及报警的控制。
AT89S52是一种4KB字节闪烁可编程以及可擦除只读存储器的低电压，高性能8位处理器。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器集成在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微处理器，为很多控制系统提供了一种灵活性高而且价格低廉的发展方案[9]。
52单片机虽然和DSP,ARM相比处理速度和运算速度上都比较慢，但它的体积小、质量轻、价格便宜，它的速度可以满足本次实验的要求，所以我们采用AT89S52这款单片机。
对于雷达信号的采集处理，52单片机的处理能力相对不足。
DSP芯片是一种数字信号处理器,专门来对数据采集并进行处理的处理器。
它以数字的形式对信号进行滤波、采集、增强、变换、估值、压缩、识别等处理,从而最终得到满足人们需要的信号形式。
综合考虑芯片的运算速度、价格、硬件资源、运算精度及功耗等因素选择TI公司的DSP芯片TMS320VC5402作为系统测距模块的数据处理器。
3.2.2单片机最小硬件系统电路设计
单片机最小系统包括晶振电路、复位电路、电源电路等，其电路如图3-2。
图3-2单片机最小系统电路图
（1）晶振电路：
XTAL1和XTAL2分别是反向放大器的输入和输出。
此反向放大器可以当作为片内振荡器。
而且石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
对外部的时钟信号的脉宽没有任何要求，但必须要保证脉冲的高低电平要求的宽度。
（2）时钟电路：
单片机的时钟信号通常由内部振荡方式和外部振荡方式两种电路形式得到。
内部振荡方式的外部电路图所示。
两个电容器起到稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值的范围一般在5-30pF之间。
晶振频率典型值为12MHz。
内部振荡所得的时钟信号较稳定，实用电路中应用较多。
外部振荡则是把外部已有的时钟信号导入单片机内。
这种方式适合用来把单片机的时钟信号同外部信号保持同步。
（3）复位电路：
复位电路是在上电或是复位时，控制CPU的复位状态，这段时间内让CPU保持复位的状态，而不是以上电或是刚复位完就开始工作，防止发出错误的指令，同时也可以提高电磁的兼容性。
单片机在启动的时候都需要进行复位，以使CPU及系统各部件处于初始的状态，并从初始状态开始工作。
3.3测速模块
3.3.1测速传感器的选择
市场上主流的测速传感器主要有测速发电机式、光电编码式、磁电式、霍尔元件式四种形式。
目前汽车车速传感器多采用霍尔式结构,霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电式传感器,它具有对磁场灵敏敏度高、输出信号平稳、频率响应度高、结构简单、安装使用方便等特点。
霍尔测速传感器主要是由特定磁极对数的永久磁铁转盘、霍尔元件、旋转机构及输入/输出插件等组成[10]。
其工作原理是永磁转盘的输入轴连接到车轮的转轴，当车轮转动时，永磁转盘也跟着转动,与此同时，永磁转盘上的永久磁铁会经过霍尔传感器,穿过霍尔元件的磁场将产生周期性变化,引起霍尔元件输出电压变化,通过后续电路处理形成稳定的脉冲电压信号,作为车速传感器的输出信号。
霍尔传感器是一种对磁敏感
升级会员 