車輛安全駕駛預警系統設計中單片機的應用

盛 彬 王舒瑋

（山西大同大學 機電工程學院，大同 037003）

汽車一度被譽為“改變世界的機器”。在近幾十年里，汽車工業得到飛速發展。它不僅推動了世界經濟的發展和科技的進步，而且逐漸成為人類工業文明的標志。但是，調查研究發現，當今社會車流量不斷增大，給道路交通系統帶來了一系列惡劣后果。第一，交通堵塞。目前山西省各大城市城市擁堵嚴重，已經成為急需解決的城市問題之一。第二，環境污染。汽車尾氣已成為自然環境的主要污染源。酸雨、溫室效應和霧霾等現象嚴重危害人類健康。第三，交通事故。交通事故嚴重危害人類的生命，已成為世界第五大死因。面對嚴峻的道路安全需求，僅通過增加交通道路的通行面積或者僅從車輛方面考慮，都不能解決日益嚴重的道路交通問題。為了有效提醒司機，規范司機的駕駛行為，汽車生產制造商研制了車輛安全駕駛預警系統，通過單片機控制系統的運行。該系統功能完善，可以有效提醒司機注意控制車速，避免車距過近，以預防道路安全事故的發生，確保司機和乘客的出行安全。

1 車輛安全駕駛預警系統的設計背景

我國的交通情況錯綜復雜，且在該領域的研究起步較晚。近些年，我國的汽車保有量急速增加。作為世界第二大汽車消費國，我國的交通擁堵、環境污染和頻發的交通事故等成為必須解決的問題。研究發現，經濟的發展促使人們出行方式朝向多樣化發展，也導致安全事故多發、頻發。據統計，我國每年都有50萬起交通事故，是世界上交通事故發生率較高的國家，且因交通事故導致人員傷亡的事件也較多。分析交通事故原因發現，事故多由司機駕駛疏忽遇到緊急事件反應不及時、車輛在行使過程中速度較快出現追尾撞擊、司機在行使過程中接打電話或聊天沒有注意路面狀況等引起，導致車輛與各種障礙物發生撞擊[1]。如果司機可以提前意識到危險的存在，及時采取緊急制動措施，就可以有效避免交通事故的發生。為了降低交通事故發生率，保證司機的行駛安全，汽車制造商在車內設置安全氣囊和安全帶來保護司機、乘客。但是，這種方法屬于被動預防，無法有效降低交通安全事故發生率，在一些嚴重突發事件下會失去效力。因此，本文設計研制了一種可以有效提醒司機車輛安全駕駛預警系統，通過事前預測、預防和智能控制，減少交通事故的發生[2]。

2 系統總體結構和工作原理

車輛安全駕駛預警系統主要包括全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）模塊、單片機控制模塊、聲光報警模塊、震動傳感器模塊、遙控模塊、無線發射和接收模塊等。通信能力受限和系統是非線性動態模型問題，是設計時保障系統控制性能的關鍵。另外，單片機作為核心控制模塊，基本運行必須包含電源電路、時鐘電路、復位電路和芯片，然后根據實際需求加上其他控制模塊，以處理聲光報警和傳感器內的實時信息數據。當系統報警模塊啟動后，傳感器檢測模塊會啟動，檢測部分信息包括位置、速度、車間距等，通過傳感器獲取的其余車輛的信息是否可用和執行器工作是否正常等信息，判斷車隊系統能否穩定運行。系統一旦感受到外界危險信息，就會促使模塊改變原來的狀態，此時單片機在接收到信號后會自動處理，最終通過聲光報警器發生信號驅動其報警[3]。同時單片機會發出信號，實現和GSM的通信，最終向司機發出短信。司機手機的通信模塊和GSM模塊主要通過通信接口連接，可以有效實現數據的傳輸。

3 車輛安全駕駛預警系統方案設計

本次設計以基本理論、技術和現有的研究成果為基礎，采用理論研究、計算機仿真和實物實驗相結合的方法，既要通過理論分析和仿真研究取得較高的理論成果，又要在實物模型上對成果進行驗證。該系統的核心控制芯片是單片機，可以通過激光測距傳感器檢測汽車周圍、前方和障礙物之間的距離。信息采集后通過模數轉換模塊將模擬信號轉換成數字信號傳送給單片機進行處理、反應，以提醒司機注意情況。該系統既可以測量車距，也可以感應車速。如果速度達到限速標準，系統會提醒司機及時減速[4]。此外，該系統可以將車速信息和車距信息數據傳輸到液晶顯示屏上，便于司機隨時觀察、了解，及時做出各種反應。同時，在該系統上還安裝有溫度傳感器，可以通過顯示器顯示車內溫度，超閾值后會通過單片機驅動報警裝置及時響應，系統架構如圖1所示。

圖1 車輛安全駕駛預警系統架構

4 車輛安全駕駛預警系統整體設計

車輛安全駕駛預警系統針對系統通信受限、傳感器/執行器故障及通信能量有限問題，提出利用模擬實際交通系統的沙盤與實驗小車組成仿真平臺，可對項目提出的算法進行驗證和改進，解決數據延時、驅動通信機制不同引起的多事件驅動等問題。它是系統的重要組成部分，在我國應用范圍廣，數據信息保密性強，數據傳輸可靠、及時。應用在車輛安全駕駛預警系統設計中，可以有效滿足汽車業務的發展需求。將單片機和GSM進行聯合，可以設計一個優化程度高、控制效果好以及安全性能高的車輛協作控制系統，從而有效發揮汽車防盜報警功能。它的核心是手機通信模塊，通過短信消息提醒司機。操作者一般可以通過打開手機中的程序和軟件自動控制油路，實現遠程開關車門、監測汽車的安全情況和運行狀態等[5]。此外，該系統在運行時會自動監測車門狀態和汽車點火開關系統的打開情況。如果被非法打開，防盜報警系統會通過手機通信模塊向司機發送信息。司機接收到相關信息后，可以通過單片機驅動完成報警。通過以上遠程控制，可以將手機通信模塊和系統進行有效連接，確保手機信息數據被格式處理，及時傳送到單片機控制系統，最終程序會根據手機信息自動判斷。此時系統中的相應板塊會自動反應，發揮其自動預警的功能[6]。

5 系統硬件設計

在進行車輛安全駕駛預警系統設計時，需要發揮提醒駕駛員危險距離的功能。因為激光測距傳感器精度要求高，需要采用相位激光測距模塊，以滿足高精度、高效率測量需求。該模塊采用的是國家規范信號，工作電壓為5 V，內部設置有發射激光和反射激光兩個鏡頭，可以精準測量車輛之間的距離。對于傳感器而言，它可以測量車速。該傳感器內部安裝有磁鐵，當磁鐵經過傳感器時可以輸出一個高電平，可通過單片機檢測車輛單位時間內輸出電平的總數量精準計算車速，因此需要選擇特定型號的傳感器[7]。此外，溫度傳感器可以準確測量車內溫度。如果溫度高于限度，系統會自動發出警報信號。車輛安全駕駛預警系統和液晶顯示器連接，通過液晶顯示屏可以有效反饋速度、距離以及溫度等信息。設計者可以根據車輛安全駕駛預警系統中模塊的結構特點，將系統硬件電路和實物進行連接[8]。

實現過程中，關于報警器限流電阻的阻值R（直流電路中）和磁鐵電磁吸力F的表達式為

式中：E為電源電壓值；UF和IF分別為發光二極管正向壓降和一般工作電流；S為磁極面積；Φ為磁通；u0為真空中的磁導率。

6 系統軟件設計

該系統軟件采用的是程序編譯控制。程序是系統的核心控制環節，選用C語言程序，具備編寫功能，結構簡單，容易操作。設計者在編寫程序時需要使用專門的編譯軟件，如Keil。編寫后可以根據程序提示信息將警告信息傳輸到單片機芯片中。系統主要的程序設計流程如圖2所示。

圖2 系統程序設計流程

7 系統調試

通過該系統實時測量車輛運行期間的相關數據，發現其測速模塊和測距模塊可以穩定運行，有效實現了設計目標。設計人員可以直接在初步設計的基礎上增加溫度測量和實時報警模塊，通過設置閾值，當車輛速度、車距以及溫度等超出閾值后，系統內會自動發出警報，此時提示燈會亮起來[9]。調試發現，當車輛速度和距離沒有超出閾值時，警報不會響應，指示燈不亮。當超出閾值時，警報會響起，指示燈亮起。此時，實際測量與預估數值之間存在一定誤差，需在調試過程中不斷改進，提高實際精度，實現實時控制的目的。

8 結語

該系統主要以單片機作為核心控制器，首先通過霍爾傳感器和超聲波傳感器采集車輛運行信息數據，其次通過單片機處理、計算有效了解車輛和周圍障礙物的危險距離，最后通過液晶顯示屏有效反映車輛狀況，便于司機做出反應。車輛安全駕駛預警系統具備一定的理論和技術創新，包含預警、提示功能，可以幫助司機及時進行速度調整，確保車輛的行使安全。