一種汽車倒車防撞綜合性系統

曾香港 李鵬 溫婭玲

摘 要：對現有倒車防撞裝置進行優化提升，設計了一種綜合性汽車倒車防撞系統。基于單片機STM32為主要控制核心，利用超聲波技術和相關控制電路等，完成倒車系統距離檢測、顯示、預警基礎功能。同時新增智能制動和安全保護裝置，實現倒車過程中的二次保護。介紹了系統裝置各模塊設計方案，給出了保護裝置的設計結構和應用原理。系統各功能模塊相互協調，性能穩定，倒車安全性能進一步得到保障。

關鍵詞：STM32;超聲波;預警;安全保護

1、引言

在交通安全事故中，汽車追尾和倒車碰撞是時有發生的，而汽車倒車防撞裝置對其有一定的預防作用。當前，汽車倒車防撞的主要研究內容是基于障礙物距離監測、語音報警和液晶顯示三方面來不斷提高汽車的安全性能的，但這三方面有一定的局限性，在實際應用過程中由于系統測距精度誤差，系統和作用人員的延時等原因仍有一定的安全隱患，需進一步的發展和創新[1]。本研究針對當前汽車倒車時所存在的一些問題，在已有的技術基礎上，完善現有汽車倒車防撞功能，同時新增汽車智能制動和安全保護囊這兩項具有提升總體防撞性能的功能，利用單片機和超聲波技術等特點，進一步地將防撞技術的各部分進行改進提升和相互結合[2]。

2、系統總體方案設計

該綜合性防撞系統整體上具有距離檢測，距離顯示，語音預警，智能制動與安全保護5個綜合性功能。如圖1所示，系統工作過程中，在基于STM32單片機的控制下，超聲波傳感器發射超聲波到空氣中，同時單片機中的定時器開啟，直至超聲波遇障礙物反射后使傳感器遇回波時停止計時。再由單片機進行相關數據處理，根據溫度環境等影響得出相應的傳播聲速，進而計算出距離，由計算出的距離與設定的距離比較，再在單片機的控制下執行相應的報警、制動和安全保護措施。

3、系統硬件設計

3.1單片機主控模塊

本綜合性倒車防撞系統以STM32單片機作為主要控制單元。其主要由控制單元、從屬單元和總線矩陣三大部分組成[3]。單片機主要負責完成各個模塊的初始化工作，發射和接收反射回的超聲電波，控制顯示器顯示，控制聲光報警電路，實現系統智能制動和控制保護裝置。其中單片機的I/O口、定時器、中斷系統等功能可以實現系統裝置的對應功能。I/O口用來控制制動系統的智能制動和安全保護裝置的安全囊彈出，定時器和中斷系統用來產生相應的超聲波及障礙物距離檢測。

3.2測距模塊

超聲波測距在中長距離的測距精度高，易于控制，能量消耗慢，且成本低，安全因素較高。因此該汽車倒車防撞系統測距模塊擬采用超聲波測距。

超聲波測距可以根據測量發射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。常采用度越時間檢測法方式進行超聲測距。其主要原理為：檢測從發射傳感器經氣體介質傳播到接受傳感器的時間，測出發射和接收回波的時間差，并由公式S=求出相應檢測距離（C為音速）。由于音速C與溫度T有關[4]，因此，在測距環節中，需要考慮溫度對測量精度的影響，在本系統中加入了溫度補償電路，可根據實際現場溫度的溫度值進行音速的溫度補償。

3.3語音預警模塊

綜合考慮防撞系統造價和簡易結構，選取蜂鳴器和發光二級管進行聲光預警。報警部分利用單片機控制輸出一定頻率的信號，當系統檢測距離小于預定的設置距離時，單片機I/O輸出一低電平信號，電路導通，蜂鳴器實現聲光預警。由于蜂鳴器的工作電流較大，單片機的I/O口難以直接驅動蜂鳴器工作，因此在電路中連接一個PNP三極管用以放大電流。

3.4? 顯示模塊

考慮該倒車系統需要顯示測量距離，設定距離，溫度等多方面的數據，因此倒車系統擬采取LCD1602液晶屏顯示。如圖2所示，通過LCD1602液晶顯示屏第一行實時顯示倒車超聲測量的距離，以及通過溫度傳感器DS18B20實時顯示當前環境溫度數值，液晶第二行顯示設置的安全報警距離數值。

3.5 制動系統模塊

汽車制動時通常使剎車片被擠壓在剎車盤或剎車鼓上產生摩擦，從而達到車輛減速剎車的目的。本系統裝置由電控制動，單片機I/O口，三極管（PNP）放大器，繼電器，電磁鐵，尾部兩摩擦面組成。其中三極管用以對I/O口輸出電流放大，繼電器實現對較大電流的驅動電機電路控制。當系統檢測距離大于預警距離時，單片機I/O輸出一定頻率信號，線圈通電，電磁鐵磁化，產生吸力將尾部兩摩擦面分開，電機自由旋轉;反之當系統檢測距離小于預警距離時，單片機I/O口改變輸出電平信號，線圈斷電，通過彈簧回復力，兩摩擦面結合，讓電機制動。

3.6 安全保護裝置模塊

安全保護裝置總體結構設計圖如圖3所示，其主要由擋塊、啟動開關、保護囊、推桿、彈簧及其余支撐座組成。通過滑槽作為保護裝置輸送方式，彈簧作為力驅動，擋塊實現力阻限制，使安全保護裝置功能的實現更為高效便捷，以進行倒車過程中緩沖減震作用。

安全保護裝置與制動系統是同時作用的，當系統的測量模塊的檢測距離小于系統預定制動距離時，單片機I/O口改變輸出電平信號，使制動系統和保護裝置同時工作，電機停轉，啟動開關開啟，擋塊下落，保護囊在彈簧的作用下彈出，以更安全的實現汽車倒車預警過程。

4、系統軟件設計

如圖4所示，本綜合性防撞系統是基于單片機STM32的控制下進行的程序設計，采用C語言編寫，整個軟件系統主要包括主程序，發射子程序，外部中斷子程序，液晶顯示子程序，主動制動子程序和安全保護子程序。主程序以單片機程序為主體，系統軟件主體功能在單片機主體程序中實現，主程序調用子程序及中斷服務子程序等完成相應的軟件控制[5]。

5、結論

本倒車防撞系統以單片機為控制核心，可實現汽車倒車過程中的距離檢測、距離顯示、聲光預警、緊急制動和安全保護5項功能。其中緊急制動和安全保護設置是在系統的二次預警過程中實現的，能夠實現對汽車倒車過程中的二次保護，很大程度上提高了汽車倒車時的安全性能。

參考文獻

[1]孫樂春.汽車安全系統現狀研究[J].山東工業技術，2014（19）：50.

[2] V.A.Barkhatov.Normalizing ultrasonic pulses in time-delay and distance measuring systems[J].Russian Journal of Nondestructive Testing-2014，456.

[3]韓韌，金永威，王強.基于STM32和超聲波測距的倒車雷達預警系統設計[J].傳感器與微系統，2016，35（04）：63-66.

[4]JonpaulJandu.Preventing automotive backoveraccidents.Intersil，Electronic Engineering & Product World，2018，003.

[5]Machtei Eli E，ZigdonHadar，Levin，Liran，Peled Micha.Novel ultrasonic device to the distance from the bottom of the osteotome to various anatomic landmarks.[J].Journal of Periodontology.2010.817.

西南科技大學創新基金項目CX19-119-汽車倒車防撞綜合性系統.