车辆测距及智能控制系统

车辆测距及智能控制系统

李智安

(福州大学，福建福州350002)

瞒要]超声波测距和智能制动系统的开发也将成为汽车主动安全技术的支柱。本次设计，就是尝试设计—种基于单片机的超声波测距系

统，使其能够实现智能制动，同时为驾驶员提供可视化的距离间隔。

【关键词]智能；制动；超声渡；单片机

1绪论

随着汽车保有量的增长，道路交通事故已成为世界性的社会问题。全世界每年死于道路交通事故的人数估计超过50万人．伤1000万人，而我国则是世界上交通事故最严重的国家。严峻的现实使人们不能不正视汽车安全性问题。从市场营销的角度看，提高汽车安全性就是增加企业产品的市场占有率；从消费者利益的角度看，提高汽车安全性就是强化对人的生命和财产的保障：从政府管理的角度看，提高汽车安全性就是稳定社会、保证经济繁荣的重要举措。超声波测距和智能制动系统的开发也将成为汽车主动安全技术的支柱。本次设计，就是尝试设计一种基于单片机的超声波测距系统，使其能够实现智能制动，同时为驾驶员提供可视化的距离间隔。

2超声波系统的研究背景及概括

21超声波系统的研究背景概括硬意义

超声波测距的原理是利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时。超声波在空气中传播．途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m／s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：s=340t[2。

超声波主要有三种测距方法：1)相位检测法：2)声波幅值检测法：3)渡越时间检测法，即所谓的时间差测距法。本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性(纵波)，通过接收自身发射的超声波反射信号：根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度：计算传播距离(不考虑多普勒效应的影响)：从而得到障碍物到车辆的距离，同时将单片机处理过的信号传递给制动控制单元，以根据车距做出实时的制动反应，避免“追尾”事故的发生。

车辆智能制动系统主要包括传感器、单片机系统、距离计算和车辆制动器。单片机根据传感器的测量信号，得到前方道路上车辆的运行状况，如与前方车辆的相对距离s、相对速度V和相对加速度，再加上本车的运行状况，通过计算对比获得潜在碰撞的可能性，并完成如下功能：1)在启动制动前数秒启动报警，提醒司机采取防范措施，这段时间大于人的反应时间。2)在碰撞发生的最小安全距离S处单片机输出制动信号进行制动。3)在制动过程中，实时判别前方车辆的运行状况，并及时调整本车的运行情况，当前方车辆突然加速，使前方车辆的行驶速度大于本车的行驶速度时，不会发生碰撞，那么本车停止制动。

22超声波系统的介绍

常用的超声波发生器可以分为二大类。一是用电气方式产生超声波，如压电式、磁致伸缩式超声波发生器：二是用机械方式产生超声波，有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器，是利用压电晶体的电致伸缩现象，即压电效应。

3传统超声波测距系统3．1系统硬件

31．1系统硬件总体框图

构成超声测距系统的电路功能模块包括超声波发射和接收模块、放大整形电路、单片机控制器及静态LED显示和智能制动控制单元。采取收发分离

式有两个好处：一是收发信号不会混叠。接收探头所

接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89C51单片机作为主控制器，用静态方法实现LED数字显示，从预先设置的存储单元中提取要显示的数值，每一秒更新一次显示。超声波驱动信号用单片机的定时器

完成超声波测距器的系统框图如下图1所示：

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———_神奇LED显示l

●片机

攮块

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—1誓能制动。l

图1

3．1．2超声波发射部分

超声波发射电路工作原理如图2所示：由NE555时基电路及外围元件构成40kHz多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率，最终达到40kHzo同时用单片机控制NE555第3脚输出端驱动超声波换能器T40—16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流40～50mAo

图2发射电路1二作电路

用555定时器接成的多谐振荡器来驱动超声波发射传感器。555定时器外接电阻和电容构成的多谐振荡电路。振荡频率f主要取决于电阻R1(包括电位器的阻值)、R2和电容C1，当R1、R2和C1固定时，改变电位器的阻值就可改变振荡频率。振荡幅度由电源电压来决定。频率为：f=1．44，(R1+2R2)C1(1)

但是输出的矩形波是不对称的，占空比为：q=(R1+R2)，(R1+2R2)

(2)

这里采用独立的9V电源对三极管驱动电路供电，以增强超声波发射的能量和测量精度。

3．13超声波接收部分

接收电路的功能是将连续变化的信号放大，滤掉高频干扰和噪声，把连续变化的信号转变为离散信号，量化后进入信号采集系统。

32系统软件设计原理

超声测距原理用AT89C51单片机开发设计。整个软件采用模块化设计，由主程序、计算子程序、制动控制子程序、车速判断子程序、显示子程序等模块组成。根据系统的要求，系统软件应具有以下功能：

1)控制超声波发射、接收。

2)根据汽车与前车的距离适时开启制动控制。

3)测出超声波信号的往返时间，来计算出与前车的距离。超声波从发射出去碰到前车返回接收传感器的时间，需要通过软件定时器来记录。根

这个时间才能计算出两车之间的距离。

系统主程序流程如图3所示。软件设计的主要思路是将预置、发

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射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块。在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。当测得距离小于预置距离时，声音报警程序被调用。主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器TOT作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA。然后送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0xms(这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断T1接收返回的超声波信号。当主程序检测到接收成功的标志位后，计数器TO中的数即超声波来回所用的时间。

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图3程序框图

4超声波测距系统调试

4．1

GM3101超声波翊悯!芯片参数

4”概况

GM31

01是专用于倒车雷达的超声波测距芯片，该芯片提供4路

超声波探头的驱动，并根据超声波特性和倒车雷达的使用环境进行了一系列智能化处理，在保证超声波测距精确性的基础上，更加强了报警功能的准确性和实用性。测试结果编码后采用双线差分方式输出，提高了信号传输的抗干扰性。GM3101可为倒车雷达系统提供最简单的单芯片控制方案，替代现有的单片机控制方案。该芯片的优势在于尽可能地为倒车雷达系统提高集成度，减少外围元件。同时该芯片的功能满足高端和通用性的要求，用户利用该组芯片既可以生产高性能的整机产品，还可以灵活设置其产品的报警方式。全硬件方式实现系统功能，既降低7用户的开发难度，更对系统性能有了显著的提高。

4．12特征

——电源电压：5V

——四路超声波探头接口。探头发送驱动信号5V@2mA

——报警信号编码输出，报警信号包括：各探头检测到的障碍物距离危险等级信号、最近障碍物方

位信号、最近障碍物距离信号及附加消息，信号电平5V

——检测结果输出周期80ms——具备自动增益控制，实现分级放大

—具有防声波衍射误报处理，提高报警信号的准确性

——具有环境适应功能，提高报警功能的实用性—-二具有智能识别功能，可以忽略小物体，防止误报警——报警信号输出采用双线差分方式，提高抗干扰性———带防扒车报警功能

——工作环境温度：一4a℃一+85℃

413信号发送和接收

芯片接通电源后，探头驱动引脚向超声波探头发送驱动信号，驱动超声波探头发送超声波信号，驱动信号发送完毕后芯片等待信号返回；探头接收到超声波信号后，将信号送入芯片．进行信号放大处理，记录信号发送和接收的时间差，根此时间差计算障碍物距离，控制报

警信号输出。

42测距系统的调试

2009年6月(上)

421电源部分

国腾倒车雷达系统电源部分包括12VDC和5VDC两种电源。

1

2VDC电源由汽车上的电源提供，它给中周提供电源。

5VDC电源：5VDC为GM3101的工作电压(GM3101可以正常工作在+45V．+5．5V)。5V电源由12V电源经过RC滤波和一个线性稳压器(如7805或LMl”7)变换产生。

422探头和中周

探头和中周构成一个LC振荡电路，探头的主要参数为：谐振频率40+1k，工作电压为”0V一150V，静电容为2000±10％PFo中周的主要参数为：匝数比nl：n2=1：12电感量为7B±0．2mH。

4．23模拟电路的调试

模拟电路的调试是整个系统的关键，它包括几个部分：第一级放

大，可调增益放大，滤波器和比较器。系统框图如图4所示：

图4模拟电路系统框图

模拟电路调试方法：在调试时，建议接第二或第三探头，不要接第一或第四探头，因为第一和第四探头有自适应功能，长时间探头距离固定，就不再输出该探头的探测信息。

424比较器

比较器的目的是完成模数转换过程，将模拟信号转换成数字信号，送到测距运算器里进行计算。

43测距系统安装位置探头安装在图中黑点位置：

图5探头安装位置

5程序设计

5．1程序设计恐略和主电路图

本次设计的总体思路是设计一套基于51单片机的超声波测距和智能制动控制系统，并和市场现有的产品做精度上的比对。程序框图见图6。程序部分包括显示部分，计算部分，计算部分又由乘法计算和除法计算组成。

图6

6结论

本系统最大的优点是结构简单，成本低廉，所用元器件都是电子市场上最普通的。其控制器部分的电路板可以加以不同的外围扩张实现多种功能系统的开发和调试。可是因为设计电路元件没有进行外包装，受环境影响较大，数据传输受数据线影响，显示不太稳定。另外本仪器未考虑温度变化时声速传播速度的变化，没有加八温度传感器，所以误差随外部温度条件而不同改进方案是考虑加入温度传感器，根据实时测量到的温度计算出声波传播的速度，再计算实际距离。

搿唠删

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Ⅲ肖攒红趣声凌每距仪在汽车安全系统审盼瞧甩oj；：I瓣滋j!j．璧学院学报，

2007．

伫】柴政。凌云基于单片机的超声波测距设诗与研究弧秘搜信息，2007。