無線智能化技術背景下的汽車“守護神”

黃永鎮 李晶晶 賈雪松 徐天一 蔡明洋 許正陽 李林

摘要：隨著科學技術的不斷發展以及汽車日益普及，人們享受著汽車出行所帶來便利的同時，也會出現交通事故和車內物品丟失等一系列的問題。本文設計了一種基于無線通信、紅外人體傳感模塊、超聲波測距和單片機控制的超聲波測距汽車倒車防撞系統。該系統具有高效、靈活、智能的特點，使汽車更加人性化、智能化，最終實現汽車“保護神”的目的。

關鍵詞：超聲波測距;防撞;汽車

1 引言

由于汽車制造業的高速發展，汽車安全已越來越成為了買車者的第一大考量因素。但盡管受金錢等現實原因的影響，安全性卻一直是人們潛意識的焦點，新型的車輛層出不窮，而且安全性要求非常高。汽車安全性主要包括以下二大類。一類稱為主動安全性控制系統，意思是在汽車陷入危機之前，避免汽車被碰撞的控制系統。目的是為了增加汽車的穩定性，并降低控制誤差。而第二類汽車的主要安全特性為被動安全，這意味著汽車在出現碰撞事件的情形下將不可避免，而僅僅通過汽車自身來防護碰撞，從而使撞擊的損失減至或最小化。例如車體構造、安全帶、氣囊、頭枕、折疊式方向盤和剎車踏板都是被動安全的重要組成部分。

本文以AT89S51單片微型計算機為基礎控制器，設計了一個構造簡潔、性價比合理、安全性較高的防撞報警控制系統。控制系統采取了模塊化設計，具備很大的靈活性和可擴展性，主要由單片微型計算機模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊、液晶顯示等構成的[1]。

2 國內研究現狀

目前，國內外不少科研單位和車輛廠家也在著力研究車輛防撞，盡管同西方國家先進的車輛防撞體系比較，中國研制的車輛防撞體系還具有較大的缺陷，但在過去三十多年中仍在分階段獲得發展，各自對防撞系統理論做出了大量的研究。

該理論把語言變量和模糊邏輯推理整合在車輛防撞控制理論中，將整個汽車防撞體系看作一個"人機對話"。這理論大大簡化了傳統汽車控制判斷的方法，因為控制系統的定義能夠用數理邏輯描述，所以它有著很大的前瞻性和可操作性，我認為這一理論一旦完善，必將引起汽車產業的巨大變革。

智能報警系統中能夠及時提醒車速，并能夠自動檢測車輛與前方車輛之間的距離。此外，防撞系統中還設有雷達識別系統，能夠自動監測車輛周圍的動態環境，并對車輛前方的障礙物實現了智能分析和計算。假如一個障礙物危及到了司機的安全，而駕駛員又不能采取措施避開它，那么雷達就會給操作員發送一個信號，操作員就會剎車。同樣，系統中的處理器也可以對通過雷達所傳輸的各種路況數據進行分析和管理[2]。

3 系統設計原理

本系統采用AT89S51單片機作為微控芯片，結合了超聲波傳感器測距，設計出一個構造簡潔、性能穩定、檢測準確度較高的車輛防撞報警系統，給車輛提供了"保護神"的功能。該系統可以即時提示車輛和障礙物之間的距離，并實現手動剎車功能，同時添加了溫度補償電路，從而提升了檢測準確度，在檢測距離低于設置的報警距離時會開啟聲光報警。通過對本系統進行模擬試驗，以實現預期目標的過程[3]。總體設計框圖如圖 1 所示。

（1）AT89S51芯片向超聲波傳感器模塊的觸發口發送長度為20us的脈沖信號，使超聲波發射電路向前發送超聲波測量，此時AT89S51芯片計時器開始計數：當超聲波遇到障礙物反射時，超聲波接收電路接收反射波，通過回波口向主控制器測量高電平信號，然后出現低電平，計數器開始中斷，時間在AT89S51根據時差檢測公式s=t/58（cm）計算距離。

（2）主控芯片AT89S51根據設定的報警距離判斷前方是否出現了障礙物，如果判斷是，則驅動蜂鳴器報警，LED燈閃爍。

（3）利用主控芯片分別對兩個直流電機發送連續的具有一定占空比的矩形脈沖進行PWM小車速度調制，在沒有障礙物的情況下，后輪直流電機收到一定的脈沖寬度則小車走的是勻速直線運動：當AT89S51芯片判斷出有障礙物時，則前輪得到一定脈沖寬度，從而達到避障的目的。

（4）驅動器使用了L298芯片，主要優點是功能強大，能承載超過四十六伏的電流，并提供了兩套在港口，方便調速的兩個車輪。而超聲波模塊使用了定時中斷計時的方式，計算簡潔高效，在程序中使用了超時限制，以避免無限數的錯誤出現，并采取了相應對策影響溫度，以增加檢測準確度。使用了四節串聯干式電池作電源，電源滿足了設計需要，是一個很好的高穩壓的直流電源，有效防止了電網變流技術時電壓不平衡，在一定程度上也減少了電網的設計復雜度。而Led和蜂鳴器的設計也達到了安全報警的效果，有很大的實用價值。

4 硬件系統電路設計

4.1 單片機控制芯片

本系統所采用的可編程控制芯片為 51 單片機控制芯片，成本廉價，并且具有良好的控制性能，該控制芯片擁有在線編程的功能，還擁有快速的運行能力，是現在設計電子領域的廣泛采用的控制芯片[4]。整體電路設計圖如圖2所示。

4.2 電源電路模塊

電源是整個系統穩定運行的前提，所以需要有一種合適的供電設計。而通信業的快速發展，極大的促進了通信電源的發展。高頻微型化的工作電源，及其技術已成為現代交流供電的首選。在交流領域中，人們一般將整流設備稱作一次電源，或將直流-直流（DC/DC）的自動變換器稱作二次電源。例如對于汽車電機部分的工作電源，盡管在電池耗盡后電流減少，但為了順利地驅動電機，所以給電機提供六伏直流電壓，再通過并聯的四節或五號電池，這樣，即使電池損耗，但整個電池盒的工作電源供應仍超過了三伏，所以這種電流仍然能夠驅動電機順利工作。電源電路如圖3所示。

4.3 晶振電路模塊

本系統所采用的晶體振蕩器電路是保證單片機正常工作所必需的周期電路。如果晶體振蕩器電路不工作，就沒有周期，從而導致系統周期的混亂，晶體振蕩器電路是電子設計系統中的關鍵電路之一，在晶體振蕩器振蕩時能夠提供一個合理的振蕩周期。晶振電路如圖4所示。

4.4 超聲波測距模塊

本系統所采用的測距模塊是利用超聲波測距系統設計的，超聲波測距系統具有簡單的特點，其原理是采用聲波特性中的反射原理構成的，根據所使用的時間，來測得實際距離，完成相關的測距任務工作等問題，其原理十分簡單，但也有一定的缺陷[5]，就是其精度稍有偏差。

4.5 紅外熱傳感器模塊

車身的遠紅外熱釋電傳感器被放置在前擋風玻璃下，用來檢測是否有人進入了限制區域。紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，發射管發射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之后，通過數字傳感器接口返回到中央處理器主機，中央處理器即可利用紅外的返回信號來識別周圍環境的變化。也可以通過跳線選擇單次觸發和重復觸發方式。

5 軟件設計部分

本系統采用的軟件設計系統是C語言編程，由于C語言編程具有較好的編程環境和在線編程能力，在電子工業編程語言中得到了廣泛的應用。單片機一旦啟動，CPU就會在晶體振蕩器的驅動下開始工作，也就是說，每個機器循環到指定的地方提取指令，然后解析并執行。當系統準備工作時，對AT89S51單片機的I/O接口進行連續掃描，接收并采集各模塊的信號。

6 結束語

本文設計了一種基于無線通信、紅外人體傳感模塊、超聲波測距和單片機控制的超聲波測距汽車倒車防撞系統，系統以AT89S51單片機作為控制器，超聲波傳感器作為測量元件。該系統具有高效、靈活、智能的特點，可有效減少或避免碰撞事故的發生，減輕人員的傷亡和財產的損失，使汽車更加人性化、智能化，最終實現汽車“保護神”的目的。

參考文獻：

[1] 畢克偉，孟祥佳.基于51單片機設計的智能車載安全系統[J].物聯網技術，2021（1）：85-87.

[2] 李敏.物聯網在智能變電站系統中的應用設計 [D]. 濟南：山東大學，2016.

[3] 孫景偉，丁學用.汽車無線防盜防撞報警器的設計[J].無線互聯科技，2020（8）：77-78.

[4] 陸文昌，徐力，袁朝春.汽車主動避撞系統主動制動實現方法[J].機械制造與自動化，2017（4）：195-198.

[5] 王守中. 51 單片機開發入門與典型實例[M].北京： 人民郵電出社，2007.

[6] 張紅月.一種新型的主動式汽車防碰撞系統的研究[J].電子世界，2018（18）：196+198.

作者簡介：黃永鎮（2000年3月生），男，漢族，河南省鶴壁市，沈陽城市建設學院信息與控制工程系，本科在讀，研究方向：通信技術。

項目來源：沈陽城市建設學院2021年大學生創新創業訓練計劃項目，項目名稱：無線智能化技術背景下的汽車“守護神”;項目編號：202113208018。