新型汽車智能避險系統設計＊

景洪昌，楊 濤，朱 軍，馬宇慧，王玥依，鄭文棟，柳思慧

（湖北師范大學電氣工程與自動化學院，湖北 黃石435000）

1 背景

目前，根據不完全信息統計，平均每5 min就有一起交通事故發生。這些交通事故除了很大部分由酒后駕車導致的之外，其余很大部分是由汽車超速導致。當車輛達到極高速度時，一旦遇到突發情況，駕駛員很難及時冷靜地去控制車輛的轉向及平穩性，最終會造成慘烈碰撞或車身的劇烈翻轉，這就會嚴重影響到駕駛員和乘客的安全[1]。

目前在汽車安全方面國內外已經做到了智能化調節，但并不全面，還會受到距離的限制，距離過遠就起不到相應的作用。為了讓汽車達到安全防護及駕駛員能及時地收到訊號，及時應對危險的來臨，設計出一種汽車自適應控制調節系統，即汽車智能轉角調節與輔助駕駛系統。

2 系統基本原理

本系統是以單片機為主控芯片，通過程序算法和外圍設備的輔助，實現對各個傳感器模塊的控制。新型智能避險系統采用STM32F103ZET6單片機作為其內部核心，測速采用霍爾傳感器，測距采用超聲波測距模塊。STM32F103ZET6單片機引腳擁有144個電平管腳，起初電路默認為一個高電平。當傳感器的內部機制檢測到外界數值變化時，引腳相應輸出TTL高電平變化信號。通過外部控制線與單片機引腳連接，當此單片機檢測到外界電平變化時，執行引腳相應的算法及函數[2]。系統的構成及原理如圖1所示。

圖1 系統構成及原理

3 硬件設計

3.1 主芯片

根據系統實際性能和實現控制要求的原則，要選擇適合本系統的主控芯片，使系統能夠按照設定要求正常、穩定地運行。經過反復研究和實驗，最終采用ARM公司出廠的STM32F103ZET6為32位單片機，如圖2所示。此芯片是由單片機、時鐘電路、復位電路、晶振電路、指示燈電路、I/O擴展接口和JTAG接口共同組成。外部有144個管腳，工作電壓為2.0～3.6 V。STM32F103ZET6性能較高、運行速度快、抗干擾能力強，具有長壽命、低功耗的特點。時鐘電路的晶振頻率是8 MHz，采用LQFP48封裝格式，RAM為20 KB，FLASH為64 KB。并且STM32F103ZET6支持在線仿真，能夠接受JTAG和SWD的調試，JTAG接口能為單片機下載固件。

圖2 單片機外部結構圖

3.2 超聲波測距模塊

由于HC-SR04超聲波指向性強，檢測迅速、使用方便，易于做到實時控制，在介質中傳播距離較遠，而超聲波經常用于距離的測量，因此本系統是采用超聲波測距進行反射計時信號探測，如圖3所示。超聲波計數器向某一個方向發射超聲波，同時計數器啟動反射計時。超聲波在空氣中進行傳播途中一旦碰到了障礙物表面的阻擋發生反射，超聲波接收器就會接收到該反射信號，立即自動停止計時并計算出所測距離。

圖3 超聲波測距原理圖

3.2.1 超聲波脈沖發射電路

由555構成的超聲波發射電路如圖4所示，由NE555定時器產生40 kHz的脈沖發射信號，加到高頻超聲波發射探頭的兩個引腳上，使內部的兩個壓電共振晶片之間產生壓電共振，向外濾波發射高頻超聲波。

圖4 由555構成的超聲波發射電路

3.2.2 超聲波接收電路

主要采用了集成信號放大芯片對信號進行放大處理。HC-SR04超聲波測距控制模塊主要是為工業用戶自生提供了一種非接觸式的測量距離自動控制的功能，通過查閱相關技術手冊和實驗得知，測距的準確性最高可以到3 mm。該模塊由超聲波信號發射器、接收控制設備與自動化控制電路等部分構成[3]。

采用I/O口TRIG觸發測距，給至少10μs的高電平信號。模塊自動向一個輸入通道發送8個40 kHz的正弦波，自動地檢查是否有一個正弦波，從而確定檢測到有無正弦波信號回歸。有信號返回時，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。

測試距離=（高電平時間×聲速）/2。超聲波時序圖如圖5所示。

圖5 超聲波時序圖

通過超聲波反射回來的時刻進行計算后即可準確地判斷出汽車前方的距離，并且通過單片機控制汽車的速度。

3.3 光敏傳感器模塊

汽車在夜間相會時，前大燈會有遠光燈轉換為近光燈的過程。為了有效控制汽車前大燈遠近燈光的控制，此系統采用光敏傳感器和單片機構成一個汽車前大燈光的自動控制系統，如圖6、圖7所示。

圖6 光敏電路局部圖

圖7 光敏設計原理框圖

燈光轉換條件如表1所示，光輻射信號的測量分析和數據采集可有效地控制和保證兩輛汽車在夜間安全地行駛，當兩輛汽車夜間在街道上相會距離120 m時，為汽車的一個前大燈最小照度系數6 LX[4]。

表1 燈光轉換條件

硬件電路：本系統使用了集成信號模塊、AD轉換器等其他小部件。

信號采集模塊：采用的光敏傳感器能夠靈敏地識別來往車輛的直射光，將其光信號轉為電信號，并通過AD轉換。

車燈精準識別控制：能夠有效地對AD（模/數）轉化過程中產生的信號和照明燈進行分析和處理，準確并快速地實現了汽車遠近照明和燈光的轉換，避免因其他因素造成汽車燈轉換失誤。

3.4 霍爾傳感器

在此系統中，需要測量汽車速度這一參數，因此本文用到了簡單可靠且精確的方案來測量轉速。

以上述STM32F103ZET6單片機為實例，單片機與單極霍爾開關電路YH543為基礎和核心，構成一個簡單的測速器件。此裝置與顯示器配套，可以實時顯示被測對象的轉速。按照這方案所制成的測速器件可以在多數中低速場合中應用[5-6]。

YH543是由霍爾電壓自動信號電壓調整器、霍爾電壓自動信號發生器、差分信號放大器、史密特觸發器和集成式電極開路的各個輸出級所組成的磁敏式電壓傳感器，其輸入級別為其磁感應的強度，輸出級別是一個數字化的電壓信號，其外型如圖8所示。

圖8 霍爾元件

3.4.1 使用方式

引腳1：電源。

引腳2：接地。

引腳3：輸出。

在使用時注意引腳1和引腳3加一個上拉電阻。

3.4.2 測速總體方案

霍爾元件開關是一種新型的全方位電平磁敏極性元件，采用全方位極性霍爾開關時，當高磁性強的物質靠近霍爾元器件時，輸出一個低電平信號，離開則輸出一個高電平信號。所以要在被動檢測這個物體的轉動對象上，先直接嵌入一個小型化的磁鋼，然后把霍爾元件的轉動軸和探頭直接轉動固定在旁邊，靠近和遠離霍爾元件的這個過程，為一個電平的跳變。然后此時，單片機時鐘自動地開始采集這些所有脈沖輸入信號，并對1 s內所有根據脈沖輸入信號頻率產生的所有脈沖輸出信號頻率進行計數，便可完成轉速的檢測。本測速裝置工作原理如圖9所示。

圖9 測速裝置原理框圖

最小系統：主要對外部脈沖信號進行采集。完成計算、控制鍵盤、顯示、報警等功能。

LCD1602液晶數字顯示控制模塊：可以顯示兩行字符或者數字，在此系統中，讓其第一行顯示齒輪的轉速。通過齒輪轉速和車輪的大小計算出車輛的行程，顯示在第二行。

獨立按鍵：S1為功能鍵，S2為加數鍵，S3為減數鍵，S4為確認鍵。這四個鍵可完成大部分的功能設置。

蜂鳴器：如果汽車超速可以用于超速報警。

3.5 人體紅外熱釋電傳感器

行駛在復雜多變的環境中時，需要對前方人流量實時監測，從而進行判斷，但傳統的攝像頭采集的圖像信息已經不適用復雜的環境，而且成本過高。紅外熱釋電并不需要額外加紅外發射裝置，只對一定溫度的熱源敏感。更能夠適應復雜多變的場合，可以對人體位置精準定位。

3.5.1 熱釋電基本原理

由于人體恒溫大約為37℃，所以人體通常會發出10μm左右的紫外線，而紅外熱釋電傳感器其濾光片能夠通過的范圍為7~10μm的紫外線光譜，其他波長都不通過。由于濾光的靈敏度不高并且測得的范圍不是很廣，因此，要在傳感器天窗上裝上菲涅爾透鏡。如果儀器不裝菲涅爾透鏡電子傳感器，其電子探測器得到的最小半徑大約在2 m，配上菲涅爾透鏡的儀器探測到最小半徑高達10 m[7]。用作安防的菲涅爾透鏡分為若干個不同的聚焦區域。其由“高靈敏區”和“盲區”組成，當人體在其探測區域活動時，人體會經過由菲涅爾透鏡劃分的不同的聚焦區域，而不同區域存在著無法接收紅外輻射的盲區，經過熱釋電所接受的輻射能量發生變化從而輸出電信號，實現對人體的位置的精準檢測。并配合著蜂鳴器進行語音播報，從而有效地檢測駕駛員的操作是否正確，并進行改正。

3.5.2 熱釋電人體定位原理

本系統采用了人體紅外熱釋電傳感器，將此器件用于人體的定位。通過軟件控制，系統進行正常工作，將探頭檢測到的紅外光譜信號轉換為相應的電信號，經過AD轉換、放大、比較電路，送至單片機。

系統通過軟件查詢和識別、來對實時傳輸的聲光報警狀態信息進行控制。從而完成相應的控制動作，此報警信號經過一段時間才被解除或者人工操作進行解除。紅外人體定位檢測系統如圖10所示。

圖10 紅外人體定位檢測系統框圖

3.5.3 測試分析

測試分析步驟如下：①首先將熱釋電傳感器放在一定位置，使人體逐漸靠近，測得其測量的最大范圍。②在一定位置上，測得其與探頭的距離，間隔一段時間內出現被測物，從而測得最小反應時間。③固定探頭，被檢測物從一個豎向最小的距離往兩側逐漸延伸擴大，測得最大測量的角度。④在紅外熱釋電的測量范圍內，放入不同的物體，可知什么物體能夠干擾傳感器的測量。⑤測量結果。通過人體定位實驗，在實驗場景中選取16個坐標點，測量多組數據，把每個測量左邊對應點相加，除總測量次數10，最總得到如圖11所示的檢測結果。在偏離程度可接受的情況下，得到傳感器有效測量范圍如表2所示。

表2 人體紅外熱釋電測量結果

圖11 人體定位實驗

4 總結

本文介紹了新型汽車智能避險系統設計，包括系統構建、軟硬件設計以及整體的調試測量。通過人體紅外傳感器來監測駕駛員是否誤操作，該系統制作成本低、安裝方便、抗干擾能力強。通過智能燈光系統能夠提高汽車在夜間行駛的安全系數，同時利用超聲波測距和霍爾傳感器進行測速，并根據人體紅外熱釋電所測得的外界情況，實時對車速和轉向角度進行調節，實現有效避障。此新型安全避險系統的設計及構造可應用于汽車智能駕駛領域。