汽車主動防碰撞系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

袁泉 韓鹍

摘 要： 本文通過對汽車行駛測距測速及制動停車過程的分析，利用微波雷達(dá)傳感器設(shè)計了一個運動中的汽車?yán)脝纹瑱C(jī)對多普勒頻移信號（與相對距離成正比）進(jìn)行處理，并控制點陣液晶顯示屏顯示汽車相對距離及相對速度的自動測量顯示儀。

關(guān)鍵詞： 微波；多普勒頻移；雷達(dá)

微波探測技術(shù)自上世紀(jì)40年代以來特別是近年來由軍品向民品的轉(zhuǎn)化后，越來越多地在防盜安防、水位檢測、交通流量、汽車防追尾預(yù)警等各個應(yīng)用方面得以普及。而微波雷達(dá)傳感器因其波束有高度的定向性，在民用及工業(yè)自動控制領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。

本文正是基于微波方向性好、速度等于光速的特點，采用發(fā)射中心頻率10.525G±500MHz調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）的微波波導(dǎo)振蕩器，利用多普勒原理對回波進(jìn)行混頻，經(jīng)單片機(jī)控制電路處理，完成了對汽車行駛速度及距離的測量。

1系統(tǒng)概述

1.1需求分析

針對汽車行駛的安全問題，本文提出了一種汽車防碰撞系統(tǒng)功能的設(shè)計構(gòu)想：當(dāng)汽車行駛距障礙物第一安全距離以遠(yuǎn)時汽車以最大速度行駛；當(dāng)汽車距障礙物第二安全距離以遠(yuǎn)時系統(tǒng)啟動第三輸出使汽車減速至中速以下行駛；當(dāng)汽車距障礙物第三安全距離以遠(yuǎn)時系統(tǒng)啟動第二輸出使汽車減速至低速以下行駛；當(dāng)汽車距障礙物第三安全距離時系統(tǒng)啟動第三輸出使汽車急停。其中第一、第二、第三安全距離及第一、第二、第三安全速度應(yīng)通過鍵盤手動可設(shè)（第一安全距離>第二安全距離>第三安全距離，第一安全速度>第二安全速度>第三安全速度）。

根據(jù)實際產(chǎn)品的功能需求，系統(tǒng)還應(yīng)具備以下功能：

警報和目測功能：當(dāng)汽車進(jìn)入障礙物的預(yù)設(shè)距離或超過設(shè)定的速度行駛時系統(tǒng)將發(fā)出聲音報警，此情況不排除警報不會解除；除聲音報警外顯示屏還提供報警狀態(tài)的測量值。

測速和測距功能：系統(tǒng)可測量顯示物體距障礙物的距離及行駛速度。

環(huán)境適應(yīng)功能：具有較強(qiáng)的防電磁干擾和在煙、塵、霧等惡劣環(huán)境工作的能力。

1.2系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件部份協(xié)調(diào)完成，硬件部分完成回波信號的采集、放大、整形、控制信號的輸入；軟件主要完成信號的處理及顯控輸出等功能。

1.3多普勒頻移

本方案采用10.525G調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）進(jìn)行測量。微波雷達(dá)使用線性調(diào)頻高頻信號CW--FM結(jié)構(gòu)，其發(fā)送頻率隨一定的時間間隔調(diào)制。由于發(fā)送頻率是隨著信號調(diào)制的時間變化的，通過物位反射后接收混頻經(jīng)中放輸出與反射物位距離成比例的回波信號混頻頻率。該頻率是由當(dāng)前發(fā)送頻率和與物體反射后接收到的頻率差值混頻獲取的，根據(jù)不同的反射物距離，混頻后的頻率將發(fā)生很大的變化，同時根據(jù)不同的分辨率需要調(diào)制不同的FM信號，混頻信號經(jīng)過以下處理即可得出距離值雷達(dá)信號經(jīng)天線發(fā)送遇界面反射，經(jīng)時間延時后被天線及接收機(jī)接收混頻，當(dāng)發(fā)射波與被測物界面反射波的差值以頻率（Hz）進(jìn)行計數(shù)，計算此頻率的差值是天線到被測物界面的距離成正比，距離越大差值越大，反之亦然。

2系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：電源模塊、傳感器檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、ATmel89C52單片機(jī)主控模塊、鍵盤及OCMJ4x8B-2顯示模塊、繼電器輸出模塊等。其中電源模塊對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，傳感器完成信號的采樣功能，A/D完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的功能，89C52主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，鍵盤及OCMJ4x8B-2顯示模塊等完成控制信號的輸入及字符、數(shù)字的顯示功能。

2.1電路設(shè)計（圖1）

傳感器混頻得到的回波波頭信號，經(jīng)放大器放大整形后，與參考信號一同進(jìn)入單片機(jī)。參考信號為上下各半周期的門限信號。為簡化設(shè)計，系統(tǒng)只處理上半周期的波頭信號。單片機(jī)采用上邊沿觸發(fā)，得到的波頭數(shù)乘以2即一個周期內(nèi)的波頭數(shù)，根據(jù)混頻后每個波頭代表的相對距離值（本設(shè)計采用的是中心頻率10.525G±500MHz的微波，則一個波頭對應(yīng)距離為7.4cm）即可算出相對距離，而相對速度由兩次距離值之差除以一個周期的時間可算出。由于單片機(jī)運算速度足夠快，系統(tǒng)每得到8個距離和速度值進(jìn)行一次平均并將此結(jié)果在液晶屏幕上顯示。

2.2繼電器模塊設(shè)計

系統(tǒng)控制汽車在三個安全距離時的不同動作通過繼電器的輸出完成。繼電器處于非通電時的狀態(tài)，也同樣是斷電或檢測到碰撞時的狀態(tài)；通電且在無碰撞的狀況下，所有繼電器都接通工作。三個繼電器可以有三種工作類型，即三輸出、雙輸出、單輸出類型，分別有1，2，3個輸出點。多輸出型可通過編程設(shè)置為雙輸出或單輸出，但單輸出和雙輸出機(jī)型不能設(shè)置成多輸出（圖2）。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

在實際應(yīng)用中，為提高測量值的精確性，我們采取的是取本次測量值與之前連續(xù)7次測量所得8個數(shù)值的平均值進(jìn)行顯示，從而大大提高的測距精度。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，顯示界面可用屏幕所帶字庫進(jìn)行規(guī)劃顯示。

總結(jié)：

隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，檢測設(shè)備的自動、智能化必將是一種發(fā)展趨勢，本文中提出利用單片機(jī)和新型多普勒雷達(dá)傳感器完成了一款簡便的汽車防碰撞系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)運行可靠性高，操縱便捷，功能完善，自動化程度高，能夠適合汽車系統(tǒng)應(yīng)用的需要，目前已投產(chǎn)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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