關(guān)于超聲波測距報警系統(tǒng)的教學(xué)課題設(shè)計

郭 林，楊立君，王 城，孟建建

(1.南京郵電大學(xué) 現(xiàn)代郵政學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引言

隨著當(dāng)前社會發(fā)展，小汽車正開始融入每一個家庭，車輛日益增多，但是汽車造成的道路安全正在逐年增加[1]。隨著我國汽車生產(chǎn)量和持有量的快速增長，高速公路的快速延伸，如果不加大汽車交通安全控制，交通安全事故會大量增加，造成更多的傷亡和經(jīng)濟損失。交通事故主要表現(xiàn)形式是碰撞，其中大部分是車-車碰撞和人-車碰撞。

專家對汽車交通事故的分析結(jié)果表明：若駕駛員能提早1秒鐘意識到會有交通事故發(fā)生，及時采取正確的應(yīng)急措施，則絕大多數(shù)事故都是可能避免發(fā)生的[2]。

發(fā)展智能交通系統(tǒng)與智能車輛技術(shù)能夠有效解決我國交通安全問題。本文設(shè)計基于超聲波測距技術(shù)的智能化汽車車距報警系統(tǒng)，組建大學(xué)生創(chuàng)新研究團隊并實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。理論證明，這套系統(tǒng)能夠有效避免追尾事故的發(fā)生，對人民生命安全做出更好的保障。

1 汽車超聲波測距智能報警系統(tǒng)原理

汽車距離測量報警系統(tǒng)是在汽車行駛過程中，對汽車前方向的物體進行距離檢測，在汽車與前面物品距離達到一定值時進行聲音報警，提示駕駛員危險物的距離以及危險程度，以便讓駕駛員采取相應(yīng)的措施，避免交通事故的發(fā)生。

汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)由信息采集、信息處理、信息判斷、預(yù)警信息等四個部分組成[3]。本設(shè)計的系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)采用STC89C52單片機為控制核心，單片機內(nèi)含有Flash程序存儲器,SRAM,UART,SPI,AD,PWM等模塊。系統(tǒng)的信息采集采用超聲波測距技術(shù)系統(tǒng)，超聲波探頭選用的是UCM40T/R[4-5]。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 信息采集

目前，汽車測距多采用紅外線和超聲波傳感器，因紅外線測距信號速度快，不易捕捉，易受背景光影響，抗干擾性差，并且反射光強度受被探測物外表光滑度、顏色等因素影響。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。所以本課題使用超聲波技術(shù)來測量汽車車距。

超聲波在空氣中傳播功率及精度與頻率成正比,比較和分析幾個常用超聲波頻率的特點,最終選取頻率為40 kHz。

超聲波測距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號處理與系統(tǒng)控制裝置三部分組成，如圖2所示[6]。

圖2 超聲波測距系統(tǒng)框圖

工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給測量邏輯電路提供一個短U脈沖。超聲波接收器在接收到遇障礙物反射回來被探頭接收，轉(zhuǎn)換為電信號，由低噪聲運放OP07構(gòu)成的兩級同相比例電路放大，再由LM567音頻譯碼器選頻濾波，消除噪聲后，由I/O端口送入STC89C52單片機，單片機由超聲波發(fā)出到接收的所用時間，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出障礙物與小車距離。

3 信息處理

研究表明[7]聲音在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣中的傳播速度為：V=340 m/s。當(dāng)汽車前方有障礙物時，根據(jù)STC89C52單片機的計時器記錄的時間T可以計算出發(fā)射點距離障礙物的距離x2。即：

(1)

在汽車行駛中，系統(tǒng)通過儀表盤反饋的汽車速度，根據(jù)《物理學(xué)》[8]有加速度公式：

V2=2×a×x1

(2)

摩擦力公式：

f=μ×m×g

(3)

根據(jù)式(2)和(3)計算出安全車距x1。

4 信息判斷

每當(dāng)汽車行駛時，前方有另外汽車時，通過超聲波測距儀測得兩車距離x2的數(shù)值，并在STC89C52單片機上做一個數(shù)據(jù)分析，進行安全預(yù)警。當(dāng)x2小于x1時，單片機就會控制蜂鳴器，數(shù)碼管發(fā)出預(yù)警信息[9-10]。

5 預(yù)警信息

預(yù)警信息部分主要進行危險級別判斷、危險方向以及相應(yīng)的聲光報警。該系統(tǒng)的預(yù)警部分由蜂鳴器，數(shù)碼管組成。

單片機將與障礙物的距離顯示在數(shù)碼管上，并且當(dāng)x2小于x1時，控制蜂鳴器發(fā)出聲音提醒駕駛員。未來可嵌入汽車制動模塊，在緊急情況下控制汽車進行強制制動[11-12]。

6 程序設(shè)計

程序啟動后，進入工作狀態(tài)，開始進行超聲波距離測定，流程如圖3所示。當(dāng)檢測到障礙物，進入數(shù)據(jù)處理，如果得到的安全距離大于預(yù)設(shè)閾值或無障礙物，程序進入超聲波測距循環(huán)。如果安全距離小于閾值，程序進入報警狀態(tài)，數(shù)碼管顯示汽車與障礙物之間的距離并用蜂鳴器發(fā)出聲音提醒駕駛員。

圖3 系統(tǒng)程序流程

7 系統(tǒng)測試

汽車超聲波測距系統(tǒng)測試在實驗室里模擬進行，汽車用智能小車來替代。首先設(shè)計好小車行駛路徑，障礙物用相同材質(zhì)、顏色、形狀放置于小車前進路徑中，測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試結(jié)果

結(jié)果表明，該系統(tǒng)在較低的誤差下，能有效的測量與障礙物之間的距離。

當(dāng)超聲波傳感器探測出前車安全距離小于閾值，系統(tǒng)在數(shù)碼管上顯示距離結(jié)果進行報警操作，如圖4所示，且報警操作的響應(yīng)時間延遲為ms量級，具備足夠的靈敏度以提醒駕駛員減速規(guī)避汽車行駛中的潛在風(fēng)險。

圖4 超聲波傳感器及距離顯示數(shù)碼管

8 結(jié)語

本課題所設(shè)計的基于超聲波測距技術(shù)的智能化汽車車距報警系統(tǒng)具有精度高，可靠性好，成本低，技術(shù)成熟等特點。系統(tǒng)將超聲波模塊、STC89C52單片機、數(shù)碼管顯示模塊、蜂鳴器模塊連接起來，系統(tǒng)通過超聲波測距技術(shù)得到與障礙物的距離，再把距離與安全距離做比較，如果汽車與障礙物的距離小于安全距離，系統(tǒng)將控制蜂鳴器報警。

隨著汽車防碰撞系統(tǒng)功能的不斷健全和提升，道路交通安全事故將會得到有效的控制，從而使我們的行車生活處于舒適、安全之中。本課題設(shè)計是從電子技術(shù)知識綜合應(yīng)用角度出發(fā)來實現(xiàn)的，課題的成功研發(fā)大大提高了大學(xué)生創(chuàng)新團隊分析工程實踐中遇到的問題并綜合運用所掌握的知識解決問題的能力。