单片机汽车防追尾系统.docx
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单片机汽车防追尾系统
单片机汽车防追尾系统
基于单片机的汽车防追尾碰撞报警系统设计
摘要.................................................................................................II
一．引言1
（一）社会背景及意义1
（二）国内外研究现状1
（三）设计思路1
（四）论文组织结构3
二．系统关键技术分析3
（一）模数转换技术3
1.模数转换模块（ADC）3
2.ADC工作原理4
3.ADC采样时间和转换时间5
（二）寻迹导航技术8
（三）红外检测技术9
（四）脉宽调制技术10
三．系统架构设计11
（一）系统功能结构设计11
（二）各模块功能分析12
四．系统硬件电路设计14
（一）稳压电源电路设计14
（二）模拟光电传感器电路设计15
（三）红外避障传感器控制电路设计17
（四）声光指示电路设计19
（五）电机驱动电路设计19
五．系统测试21
（一）系统测试工具21
（二）测试结果与分析23
结束语25
参考文献27
致谢29
摘要
随着人们生活水平的日益提高，汽车数量也与日俱增，因此汽车的行驶安全就显得尤为重要。
介绍一种基于单片机FusionFPGAAFS600芯片的汽车防追尾碰撞报警系统，他是自动检测行进中汽车前后方障碍物的距离，当达到安全极限距离时，会发出声光报警，提示驾驶员进行相应的操作。
给出该报警系统的软硬件设计，实践证明该系统有效且准确。
为提高汽车运行的安全性和降低碰撞发生的可能,本文讲述一种主动型汽车防追尾碰撞报警系统。
该系统装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与毫米波雷达的测距技术、传感器技术相结合，可检测汽车运行中前方、后方障碍物与汽车的距离及汽车车速，通过数显装置显示距离，并由发声电路根据距离远近情况发出警告声。
关键词：
单片机；碰撞；报警；检测
Abstract
Withrisingoflivingstangard,thenumberofcarsincreasedeveryday,socarsdrivingsafetyisparticularlyimportant.Thesystemofautomobileanti-collisionalarmingsystembasedonsingleFusionFPGAAFS600-chipisintroduced,itcanautodetectdistancefrontageanrearfraise,whenreachcriticalsecuritydistance,alarmingofsoundanlightaregiven,thesystemhardwarecompositionanfsoftwareprojectareshowed,Experimentresultsprovevalidityandveracity.
Inordertoenhancethesafetyofcarsandreducethepossibilityofacollision,thepaperaboutapro-activeanti-vehiclecollisionwarningsystem.Thesystemwillbeinstalledreal-timecontrolofthemicrocontrolleranddataprocessingfunctions,andmillimeter-waveradarrangingtechnology,sensortechnology,couldbedetectedinthevehiclerunninginfront,therearvehiclebarriersandthedistanceandvehiclespeed,throughthesignificantnumberofDeviceshowsthatdistancebydistancevoicecircuitsbasedonthesituationissuedawarningsound.
Keywords:
singlechipcomputer;collision;alarming;detection
一引言
（一）社会背景及意义
为有效降低小汽车碰撞事故的高发率，近年来广大电子爱好者始终都在试图通过制作模型的方式，努力探寻解决该问题的可行方案，而模型制作所需的硬件基础尤其成为解决问题的关键。
第二届“Actel”杯中国大学生电子竞赛的举办，为这一问题的解决提供了契机，主办方提供的FusionStartKitFPGA开发板上AFS600芯片独特的资源设计和强大的执行能力，为高速公路汽车防追尾系统模型的研究与实现奠定了坚实的硬件基础。
这一系统研究的成功将为汽车安全驾驶提供一个具有价值的参考，在一定程度上可减少或消除追尾事故的发生，防止行车过程中对行人造成安全隐患，从而达到安全行驶的目的。
（二）国内外研究现状
通过资料的收集和网上相关的查阅，得知汽车防追尾的话题在国内外一直很受关注。
国内近年来也出现了轮胎气压检测、汽车防追尾仪和防追尾指示灯等汽车防追尾装置的研发与投产，但这类装置有些只为解决由于汽车硬件故障造成防追尾事故而设计，有些装置虽然以发出警示信息等方式，为驾驶者在突发状况下采取应急措施提供条件，但都在很大程度上忽略了人为因素对追尾事故的影响，此外这类装置较高的成本也阻碍其投产与推广。
基于FusionStartKitFPGA的高速公路汽车防追尾系统模型的研究将对以后这类产品的研究提供一个更好的构想。
本课题将以人为本作为核心出发点，弥补驾驶者因主观失误造成事故而设计。
通过进一步改进可附加在成品汽车上，在整车设计中可把其作为一个标准的汽车电子配件。
随着时间和技术的推移，市场中将会出现更多汽车安全类的产品，但由于市场接受需要一个过程，截止目前，还没有一个类似的安全产品在成品汽车上应用。
（三）设计思路
本系统模型采用两辆智能小车进行汽车防追尾的设计与实现[3]。
智能小车有两个电机，后轮为驱动电机，前轮为转向电机，可通过PWM控制电机的转向和转速。
黑色路径为智能小车的识别标志，模拟高速公路中的实际道路。
系统中设计了两条黑色路径，一条为慢车道，另一条为快速车道，也就是超车道。
设计的重点在路径识别和智能避障上，首先要实现智能小车在指定的路线上行驶，之后实现智能小车的避障功能。
考虑到实际道路中不同的情况，系统在设计中放置了固定障碍物和移动中的障碍物（车速较慢的智能小车2，以下简称车2），为了能够更好的体现路况，着重对直道、普通弯道和S形弯道等3种走向的黑色路径做了设计。
黑色路径识别是通过模拟光电传感器来实现的，根据光敏电阻的阻值随光强度变化而变化的原理，在检测中取其一端电压为输出信号，当模拟光电传感器在跑道上不同位置时，通过输出信号电压的变化来判断和识别智能小车的位置；障碍物检测是通过红外避障传感器来实现的，在3-80cm范围内可调，可根据不同的情况调整其检测的距离。
根据动量守恒原理，速度越快惯性越大，所以在应用中，调车2的检测距离为20cm，调车1（速度较快的智能小车，以下简称车1）的检测距离为50cm。
系统开发了智能小车高性能的仿真平台，对模拟光电传感器的前瞻性能进行了深入研究。
由于转向电机、驱动电机和车身都是高阶惯性延迟环节，从输入到输出需要一定的时间，越早知道前方道路的信息，就越能减小从输入到输出的滞后。
为了使智能小车达到一定速度，模拟光电传感器在安装时，采用了一定的前瞻性。
前瞻能检测车前方一定距离的赛道，在一定的前瞻范围内，前瞻越远的传感器方案，其极限速度就会越高，其高速行驶过程中对引导线的跟随精度也相对较高，系统的整体响应性能较好。
因此路径识别模块将模拟光电传感器置于车身的前方，以利于更好地调整车辆的姿态。
除了车1速度上的优势和车2的倒车功能外，两车几乎具有完成相同的功能。
在行驶中，将两车同时放在慢车道上，车1在前车2在后，因为车1的速度较快，所以在行驶过程中车1必然会追上车2，这样就模拟了高速公路上防追尾和超车的功能，有效的解决了在同一车道上，因为两车速度的不同而发生的追尾事故。
因为在沿途中还放置有固定障碍物，模拟车坏在路上或前方道路维修等情况，所以车2也追加了避障功能，这样使整个模型显得更具有说服力。
硬件设计以FusionStartKitFPGA开发板为核心，结合自制的电源电路、数据采集电路、电机驱动电路、声光指示电路和车距检测电路共同实现要求的功能。
智能小车通过模拟光电传感器采集路径信息，并将所检测到信号送至控制系统，控制系统经判断后选择相应的执行程序，控制智能小车将要执行的状态。
利用红外避障传感器检测前方路面的情况，当检测到前方有障碍物时，小车将减速或驶向快速车道，在快速车道上能自动实现加速超车功能，并返回慢速车道。
车2还额外的增加了倒车功能，当前端的模拟光电传感器检测到倒车标志时，小车会自动停车，并开启后端模拟光电传感器，检测车后路况信息，执行倒车功能；当后端模拟光电传感器检测到停车标志时，小车停止，尾灯电亮，电机关闭，以示倒车完成。
智能小车车速与转向功能是通过PWM调节来控制的，控制中心根据外界路况信息调节PWM占空比，实现小车的智能控制。
（四）论文组织结构
论文分五部分介绍整个设计过程：
第一部分主要介绍课题来源的背景和课题研究的社会意义；分析国内外类似课题的研究状况；对课题的设计思路和整个系统模型的创新性做了介绍；概述论文的整体结构和各章节内容要点。
第二部分对系统中应用的关键技术做了分析，主要包括模数转换技术、寻迹导航技术、红外检测技术和脉宽调制技术。
第三部分结合系统功能框图整体描述了系统的功能设计，并对各模块功能进行了分析。
第四部分介绍了系统硬件电路设计，对系统中各模块的应用电路做了较为详细的分析。
第五部分首先介绍了系统所需的测试工具及其性能指标，之后对系统硬件电路各个模块进行了测试，并对测试结果进行了较为详细的分析。
二系统关键技术分析
（一）模数转换技术
FusionStartKit是基于Actel公司的Fusion混合信号FPGA而设计的开发平台，核心芯片采用Actel公司Fusion系列60万门的AFS600，该系列是世界上首个混合信号FPGA，将模拟的AD、RC振荡器、模拟I/O、RTC等融入到数字的FPGA中，为实现真正的SOC提供特有的解决方案[1]。
1.模数转换模块（ADC）
系统在应用中并不需要外加ADC转换器，结合Fusion内部的模数转换功能对模拟信号进行采集和处理。
Fusion模拟系统的核心是一个可编程的逐次逼近型（SAR）模数转换器ADC。
可通过设计将其配置为8位、10位和12位的操作模式，利用片内一个32：
1的多路选择器实现32个采样通道输入。
在8位操作模式下，ADC单个通道的采样率最高可达600ksps，多个通道同时使用时，则所有通道分时采样，平分采样速率。
ADC与模拟多路选择器如图1所示。
图中显示了模拟Quad、模拟输入多路选择器MUX和ADC的系统框图，ADC提供多个自监测的模式（例如：
监测内核电压、内部的温度等）以保证在上电和运行期间的稳定性和高可靠性。
这些模拟模块、多路选择器和ADC都是通过实实在在的硬件连线连接在一起。
图1ADC与模拟多路选择器
2.ADC工作原理
ActelFusion器件中的ADC是一个12位逐次逼近型（SAR）ADC，它内部主要由采样保持电路、比较器、逐次逼近寄存器和DAC等模块组成，采样保持电路主要是对外部模拟信号进行采样，并保持采样得到的模拟信号，它将和DAC的输出结果通过比较器来比较，比较器的输出结果来控制逐次逼近寄存器中的移位寄存器是否继续移位，寄存器输出的结果送给DAC实现数字量与模拟量转换，最终又回到原先的比较器输入端，构成一个反馈系统，直到输入电压与DAC输出的电压相等时，移位寄存器停止工作，此时逐次逼近寄存器输出的值即为最后转换的数字结果[8]。
ADC结构图如图2所示。
图2ADC结构图
3．ADC采样时间和转换时间
在ADC的参数中，采样时间和转换时间是使用者非常关心的一个参数，它决定了外部输入信号的带宽。
在Fusion的ADC中，采样时间和转换时间是不同的，采样时间定义为转换时间加上ADC控制器操作的时间，在Fusion中ADC控制器为ASSC（ADC采样序列控制器），这个模块在生成模拟模块的时候可以自动生成[9]。
采样和转换的时间示意图如图3所示，ADC采样和转换时间描述如表1所示。
图3采样和转换时间示意图
表1ADC采样和转换时间描述
名称
含义
Tsample
采样保持电路采样模拟信号的时间，储存在输入电容中，它的时间（2+STC）×ADCCLK
Tprescaler_setting或Tstrobe
当使用电压检测时并使用Prescaler,则为Tprecaler_setting—Precaler的设置时间，没有使用时这个时间是不存在的
当使用电流或温度检测时，则为Tstorbe—选通时间，一定存在
Tacquisition_hold
获取和保持时间，包括Tsample和Tprescaler_setting或Tstrobe前两者的时间，在电压监控中如果使用Prescaler，最小值为10us，不使用则只有Tsample,在电流和温度监控中最小值为5us
Tconversion
转换时间，包括Tacquisition_hold和ADC内部处理时间
Tturnaround
ADC控制处理时间，从读取转换结果到下次开采样的时间，根据控制器的不同时间也不同，Fusion自带的ADC控制器IP为ASSC，由SmartGen软件生成，该时间与通道数目、标准信号个数都有关系
Tsample_fusion
Fusion的ADC两次采样的时间间隔，从模拟信号输入到转换结果输出并启动下次采样
（1）单通道转换时间计算公式：
T_conversion=t_sync_read+t_acquisition_hold+t_distrib+t_post_cal+t_sync_write
T_conversion=SYSCLK+[（2+STC）×ADCCLK+（Tprescaler_setting或
Tstrobe）]+（8/10/12）×ADCCLK+2×ADCCLK+SYSCLK
ADCCLK=SYSCLK÷[4×（1+TVC）]
其中：
t_sync_read=SYSCLK，模拟软IP锁存ADC结果的时间
t_acquisition_hold=Tsample+（Tprescaler_setting或Tstrobe）
=（2+STC）×ADCCLK+（Tprescaler_setting或Tstrobe），获取和保持时间
t_distrib=（8/10/12）×ADCCLK，ADC内部转换一次的时间
t_post_cal=2×ADCCLK，后期校准的时间
t_sync_write=SYSCLK，模拟软IP将ADC结果锁定输出的时间【7】
（2）单通道采样时间和采样率计算公式：
单通道采样时间
Tsample_fusion=T_conversion+Tturnaround
单通道采样率
Fsample_fusion=1/Tsample_fusion
其中：
Tturnaround为ASSC的控制时间
（3）多通道采样时间和采样率关系：
假如ADC有多个通道同时使用，则总的采样率为每个通道的采样率的和，可以根据如下关系计算：
总采样率=总通道数目/（每个通道的Tsample_fusion的总和）
每个通道的采样率=各通道的Tsample_fusion/各通道Tsample_fusion的总和×总采样率[11]
（4）举个例子：
例1：
系统时钟SYSCLK=40MHz，分频后ADC的时钟ADCCLK=10MHz，采样10位ADC模式，使用电压监控，不使用Prescaler，无标志信号，ASSC的处理时间
Tturnaround=0.25us，则：
T_conversion=t_sync_read+t_acquisition_hold+t_distrib+t_post_cal+t_sync_write
=25ns+（2+0）×100ns+10×100ns+2×100ns+25ns
=1.45us
Tsample_fusion=1.45us+0.25us=1.7us
Fsample_fusion=1÷1.7us=588.23ksps
例2：
假如有3个采样通道，每个通道的Tsample_fusion都为10us，则
总的采样率为=3÷（3×10）=300ksps
每个通道的采样率=（10/30）×300ksps=100ksps
表2采样保持时间寄存器（STC）
STC[7:
0]
采样时间=（STC+2）×ADCCLK时钟周期
0
00000000
2个ADC时钟周期
1
00000001
3个ADC时钟周期
……
……
……
254
11111110
256个ADC时钟周期
255
11111111
257个ADC时钟周期
要实现最高600ksps的采样率必须满足一定的条件，首先，ADCCLK必须达到最高10MHz，选择8位ADC模式；其次，不能使用Prescaler以及内部的数字滤波功能，也就限制了外部的输入电压不能超过电压基准源的范围；第三，没有设定阀值变化信号；第四，只能对电压监控的条件下才能达到，在电流和温度监控下都无法实现最高600ksps的采样率。
（二）.寻迹导航技术
路径识别是体现智能小车智能水平的一个重要标志，而传感器是智能小车进行路径识别的关键检测元件。
针对智能小车在特殊路劲条件下的路径识别，提出了基于模拟光电传感器的路径识别方案与基于数字光电传感器的路径识别方案，并对两种方案的应用性能进行了比较。
具体分析如下：
1.数字式光电传感器
数字式光电传感器的输出信号类型为开关量，所以也叫开关式光电传感器，对应于光电信号“有”、“无”受到光照两种状态，即输出特性是断续变化的开关信号。
在应用中这类传感器要求光电元件灵敏度高，而对元件的光照特性要求不高。
采用数字式光电传感器均匀分布于车模前端，但受车模宽度限制，分布后对道路的探测精度只能达到17mm左右，这样赛车在前进过程中很难达到很高的控制精度和响应速度。
从本质上讲，数字式光电传感器的劣势就在于它丢掉了路径探测中的大量信息。
2.模拟式光电传感器
模拟式光电传感器的输出量为连续变化的光电流，因此在应用中要求光电器件的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持均匀稳定[2]。
模拟式光电传感器的发射和接收都是锥角一定的圆锥形空间，其电压大小与传感器距离黑色路径标记线的水平距离有定量关系：
离黑线越近，电压越高，离黑线越远，则电压越低（具体的对应关系与发光二极管型号以及离地高度有关），从理论上可以大大提高路径探测精度。
因此，只要掌握了传感器电压和偏移距离特性关系，就可以根据传感器电压大小确定各传感器与黑色标记线的距离（而不是仅仅粗略判断该传感器是否在线上），进而获得车身纵轴线相对路径标记线的位置，得到连续分布的路径信息。
根据实车试验，可以将路径探测的精度提高到1mm。
这样传感器采集的信息就能保证FusionFPGAAFS600可以获得精确的赛道信息，从而为提高赛车的精确控制提供了保证。
模拟式光电传感器寻迹的优点是电路简单、信号处理速度快。
在不受外部因素影响的前提下，模拟式光电传感器检测前方距离越远，行驶效率越高，即小车的前瞻性能越好。
模拟式光电传感器电压与偏移距离关系示意图如图4所示[3]。
基于上述理论分析，最终选择模拟式光电传感器。
图4模拟式光电传感器电压与偏移距离关系示意图
（三）．红外检测技术
车距检测为系统重要的组成部分之一，为了能实现快速、可靠和稳定的智能避障效果，针对红外避障传感器的测距方案与超声波传感器的测距方案的应用性能做了比较。
具体分析如下：
1.超声波传感器
超声波发生器总体上可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
超声波测距原理是由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2。
超声波传感器既可以作为发射器又可以作为接收器，传感器用一段时间发射一束超声波，只有待发送结束后才能启动接收，设发送波束的时间为T0，则在T0时间内从物体反射回的超声波是无法捕捉的；另外，超声波传感器具有一定的惯性，发射结束后还留有一定的余振，这种余振同样能产生电压信号，影响系统捕捉返回信号。
因此，在余振未消失以前，是不能启动系统进行回波接收。
根据上述两个原因可知，惯性和余振是影响超声波传感器测距的重要因素，而且超声波传感器电路比较复杂，信号处理也具有一定难度。
此外，超声波传感器也容易受到外界环境的干扰。
2.红外避障传感器
红外避障传感器是集发射与接收于一体，主要用于障碍物的检测。
对障碍物的感应距离可以根据要求通过后部的旋钮进行调节。
这种传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。
传感器正常工作电压为5VDC，输出电流为100mA，可监测3—80cm范围内的障碍物。
在所调节范围内有障碍物时，信号管脚将输出低电平。
应用中并不需要将其输出信号进行处理，可直接输入主控芯片。
基于上述理论分析，最终选择红外避障传感器。
（四）．脉宽调制技术
1.采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的，但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
2.采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
3.采用L298N集成电路来驱动电机。
L298N采用由达林顿管组成的H型脉宽调制（PWM）电路。
PWM电路由四个大功率晶体管组成H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入控脉冲的占空比，精确调整电动机转速。
这种电路由于管子工作只在饱合和截止状态下，效率非常高。
H型电路使实现转速和方向的控制的简单化，且电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调整技术。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个三相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，可直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
通过比较分析，使用L298N芯片可充分发挥速度调制的功能，能稳定地驱动直流电机，且价
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