基于超聲波測距的汽車電磁防撞裝置

佟國棟 徐 華 劉鐵生 姚蘇蘇

鹽城師范學院物理科學與電子技術學院 江蘇鹽城 224002

基于超聲波測距的汽車電磁防撞裝置

佟國棟 徐 華 劉鐵生 姚蘇蘇

鹽城師范學院物理科學與電子技術學院 江蘇鹽城 224002

汽車防撞裝置能夠利用語音報警提示司機人為減速，還可利用電磁鐵同性磁極排斥的原理主動減速，達到防撞的效果。在該裝置通電工作后，首先通過超聲波測距，得出相鄰汽車之間的距離，當低于預先設定的安全距離時，單片機啟動語音報警器，提醒司機人為減速，同時啟動電磁鐵單元，最大限度地避免汽車相撞。

單片機；超聲波測距；電磁鐵

隨著汽車擁有量的不斷增加，安全駕駛越來越成為大家關注的焦點，特別是在天氣情況較差或司機處于相對疲勞狀態(tài)時，汽車防撞系統(tǒng)(Collision Avoidance System, CAS)的設計和需求就顯得更為重要和迫切[1]。目前的汽車防撞系統(tǒng)主要基于激光測距、紅外測距以及采用無線收發(fā)模塊等[2-4]，較新的方案還包括基于UWB技術的無線防撞系統(tǒng)[5]。已有的這些方案主要是根據系統(tǒng)測定的結果，通過語音提示司機人為減速來達到安全駕駛的目的；但是高速行駛中的汽車有著很大的慣性，剎車距離較長，完全依靠司機的臨時減速，特別是司機疲勞或者沒有集中注意力時，往往很難達到好的安全駕駛效果。

我們設計了一種能夠自動輔助減速的防撞裝置，使得汽車能夠自主提前減速，達到安全駕駛的目的。該設計以STC89C52單片機為主控單元，利用超聲波測距，在汽車與其他汽車的距離小于事先設定的安全距離時，啟動語音報警裝置，提醒司機減速，并同時啟動電磁鐵減速單元。該裝置成本低廉，設計簡單，汽車如果能夠配備該裝置，則可以在行駛過程中達到汽車自主輔助減速的目的。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 方案框圖

汽車電磁防撞裝置的具體框圖如圖1所示，該裝置由超聲波測距單元、單片機控制單元、語音報警單元以及電磁鐵減速單元和復位電路等部分組成。需要說明的是，該裝置需要在車前和車后都安裝，以起到較為全面的安全防撞作用。

圖1 汽車電磁防撞裝置框圖

汽車在行進過程中，車前和車后防撞裝置中的超聲波測距單元都處于工作狀態(tài)，當檢測到自身與其他汽車的距離小于安全距離時，系統(tǒng)將發(fā)送信息給主控單片機單元，單片機將發(fā)送相應指令給語音報警單元提示司機采取相應措施，同時汽車中的電磁鐵減速單元也會收到單片機的啟動指令，兩輛汽車的電磁鐵減速單元就會迅速啟動，電磁鐵減速單元可以都設置為同名N極，由于同性磁極的相互排斥作用，使得汽車能夠達到自主減速的目的，有效避免了汽車相撞的發(fā)生。如果未達到設定距離，則電磁鐵單元不會開啟，汽車處于正常行駛狀態(tài)，當然此時的超聲波測距單元仍然處于監(jiān)測狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)工作模式

汽車防撞主要為正面防撞和追尾防撞兩類方式，每一類方式中除了在同一車道上的相撞之外，還有可能存在與其他車道上的車輛的左側相撞或右側相撞，具體的示意圖如圖2所示。

圖2

圖2(a)所示為A車和B車在相向行駛時的示意圖，兩車車頭安裝的防撞裝置中的超聲波測距單元不斷監(jiān)測距離，當檢測到兩車車頭之間的距離達到事先設定的安全距離時，啟動各自車頭防撞裝置中的減速單元，如圖2所示，都作為N極出現，則兩車間產生排斥力，達到自主減速的目的，起到防止正面相撞的效果。

圖2(b)中A車和B車同向行駛，存在追尾的風險，同理，當B車的車速相對較快，B車車頭和A車車尾防撞裝置中測距單元檢測到兩車之間的距離小于事先設定的安全距離時，各自向主控單片機發(fā)出信息，主控單片機分別下達啟動電磁減速單元的指令，使得B車車頭和A車車尾防撞裝置中的電磁減速單元開始工作，將B車車頭和A車車尾裝置中的磁極均設為N極，因此產生了排斥力，使得兩車有效避免了追尾相撞的事故。

在超聲波測距單元電路中，發(fā)射和接收超聲波的超聲傳感器，在距離監(jiān)測中起著關鍵的作用，傳感器在發(fā)射超聲波時，能量呈扇形分布，但是并不是均勻分布的，一般以傳感器的中軸線方向為最強，而向兩邊逐漸減弱，當發(fā)射能量減小到一半左右時，此時的方向與中軸線的夾角稱為“波束角”，波束角是超聲波傳感器探測范圍的主要參數，一般在30°左右。因此除了圖2(a)和(b)的兩種情況外，傳感器還可以探測到相鄰車道中的汽車，起到左側防撞和右側防撞的效果。

通過超聲波測距單元電路，利用回波時間計算出相鄰汽車之間的距離，進而結合主控單片機，與事先設定的安全距離比較后，如果得出距離過近的結果，單片機啟動語音電路和電磁減速單元電路，一方面提醒司機減速，另一方面利用同極磁體的排斥力進行自主減速，最大限度起到正面防撞以及追尾防撞的效果。

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 主控單片機電路

系統(tǒng)中采用了低電壓、高性能的STC89C52單片機，它是STC89C51的增強型號，其中包含了可反復擦寫的8 kB的程序存儲器和12 B的RAM，器件采用高密度、非易失性存儲技術生產，可以完全兼容標準的MCS-51系統(tǒng)。

STC89C52單片機的工作電壓為5 V，最高的工作頻率為24 MHz，有40個引腳，其中包含32個雙向的I/O端口，2個全雙工通信口，2個讀寫口線以及3個16位的可編程定時計數器。該單片機中可反復擦寫的Flash存儲器可以有效降低開發(fā)的成本，使得STC89C52單片機得到了廣泛的使用。

2.2 語音報警單元電路

該部分采用ISD1420P語音芯片及外圍電路實現語音報警提示功能，ISD1420P芯片內部包含片上時鐘、麥克風前置放大器等，它采用模擬存儲技術，能夠提供20秒的錄放時間，且斷電不丟失，語音質量高。

外圍電路主要由駐極體話筒和揚聲器加少量電容電阻組成，實現語音信號的輸入輸出，并且用1個二極管作為錄音指示燈，通過8根地址線和2根錄放控制線與單片機相連。在錄音模式中，單片機將27腳置低，并送出相應的地址，從而實現分段錄音。錄音時發(fā)光二極管D1被點亮，D1熄滅表示錄音結束。在需要報警時，只需要由單片機P0口送出所需報警內容的存儲地址，給24腳一個下降沿信號，即開始放音，通過更改地址即可播放不同的預錄語音信號，如可以事先錄下“注意本車道正面防撞”“注意本車道追尾防撞”“注意左側車道追尾防撞”等多種可能的語音報警內容，供單片機在實際行駛過程中根據具體情況調用，語音芯片接口原理圖如圖3所示。

圖3 語音芯片ISD1420P接口原理圖

2.3 超聲波測距單元電路

該單元電路以超聲波的發(fā)射、接收單元為核心，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波后，遇到障礙物返回，接收探頭接收到相應的信號，經過放大、整形等處理后發(fā)送給單片機，單片機根據超聲波的往返時間間隔以及傳播速度計算得障礙物的距離[6]。

在本系統(tǒng)中采用了DYP-ME007 V2超聲波測距模塊，圖4為其實物圖。管腳1～5分別定義為：Vcc，Trig，Echo，Out，GND。

該模塊包括了超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元和控制電路，以及溫度補償。該模塊可以提供0.02～5 m的測距范圍，當該模塊收到一個觸發(fā)信號后，發(fā)射單元將開始發(fā)射超聲波信號，如果探測范圍內有障礙物，則接收單元會收到返回的信號，利用發(fā)送信號和返回信號的時間差則可以計算得到障礙物的距離。

圖4 DYP-ME007模塊實物圖

使用該模塊時，需要占用單片機的兩個I/O口，一個I/O口作為觸發(fā)端，另一個I/O口作為回波PWM信號捕捉引腳。在開始寫入程序時，先在Trig引腳給一個大約為10 ms的高電平觸發(fā)信號，同時該模塊的內部將發(fā)出8個40 kHz的周期脈沖并檢測相應回波信號，同時讀出環(huán)境溫度，計算出真實的距離值，并將其變換成一個PWM的信號從Echo引腳輸出。因此只需要讀出PWM信號的高電平持續(xù)時間，由于該模塊帶有溫度補償，因此不管溫度為多少，距離計算時只需要用340 m/s即可，如果沒有收到回波信號，則模塊的回響信號腳將輸出約65 ms的電平，以防止發(fā)射信號的影響。

2.4 電磁鐵模塊

如圖5所示為電磁鐵的驅動原理圖，電磁鐵利用通電的鐵心線圈吸引銜鐵，當電源斷開時，電磁鐵的磁性隨之消失。電磁鐵主要由線圈、鐵芯和銜鐵組成。本裝置采用U型電磁鐵作為小車防撞的主要設備，它包含一個U型鐵芯，兩個線圈和銜鐵，線圈面纏繞塑料帶表示線圈的繞向，電磁鐵做成U型可以使磁感線在工件內形成通路，能大大增強排斥力。本設計采用的是車頭和車尾裝配統(tǒng)一的U電磁鐵。車頭和車尾N極和S極都在同一側。能夠使兩個車同向和相向行駛時，都產生斥力。

圖5 電磁鐵驅動原理圖

當超聲波測距單元檢測到障礙物時，單片機P0口的相應管腳輸出低電平，光耦芯片(Optoislator1)內部的發(fā)光二極管發(fā)光，另一邊三極管由以前的截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，電源電壓加到電磁鐵P7上，電磁鐵開始正常工作。

3 結束語

筆者設計了一種以STC89C52單片機為控制核心的汽車電磁防撞裝置，在汽車的車前和車后普遍安裝該裝置時，汽車在行駛過程中，該車與其他相鄰汽車的超聲波測距電路均在監(jiān)測工作狀態(tài)中，如果發(fā)現低于安全距離，則兩車一方面啟動各自系統(tǒng)中的語音報警裝置，提示司機人為減速，另一方面，各自系統(tǒng)的單片機發(fā)出信號，分別啟動電磁鐵單元電路，產生同性相斥的阻力，達到主動減速的目的，與司機的人為減速一起，最大限度上避免汽車的相撞，車前和車后安裝該裝置，還考慮到了正面防撞和追尾防撞兩種狀況。如果采用其他性能更好和探測范圍更大的超聲波測距單元[7]，或者超聲波測距陣列，可以提供更大范圍、更為準確的探測和防撞。

[1] 戴巍.現代汽車防撞系統(tǒng)[J].實用汽車技術,2006,3:5.

[2] 劉巖川,王玲芬,欒慧.基于激光測距技術的汽車防撞系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2008,11:96-98.

[3] 羅淳,熊慶國.智能汽車防撞報警器的設計開發(fā)[J].現代電子技術,2009,11:158-160.

[4] 張旭輝,朱宏輝.基于nRF24E1與TMC2023的汽車防撞系統(tǒng)的研制與實現[J].電子技術應用,2004,11:61-63.

[5] 王英,許可.基于UWB無線定位的汽車防撞系統(tǒng)設計[J].重慶郵電大學學報,2010,22(6):804-807.

[6] 王博.基于超聲波測距技術的倒車雷達的應用和設計[J].黑龍江科技信息,2008,12:26.

[7] 楊斌虎,謝克明,杜艷生.基于DSP芯片的超聲波測距系統(tǒng)[J].太原理工大學學報,2004,35(2):149-151.

Automobile electromagnet collision avoidance system based on ultrasonic distance measurer

Tong Guodong, Xu Hua, Liu Tiesheng, Yao Susu
Yancheng teachers university, Yancheng, 224002, China

An automobile collision avoid system is proposed in this paper. On the one hand, the sound alarm unit in this system can give a warn signal to the driver to make the car slow down if distance of adjacent car is too near; on the other hand, the electromagnet is used to reduce the speed of the car. Thus, the automobile collision may be avoided effectively by the useage of the proposed system. When the power of the system is on, it f rstly calculate the distance of adjacent cars via ultrasonic distance measurer. Then sound alarm unit will be triggered by the MCU to warn the driver slow down his car if the measured distance is smaller than the predetermined value. At the same time, the electromagnet unit is activated.

MCU; ultrasonic distance measurer; electromagnet

2011-12-13

佟國棟，在讀本科生。通訊作者：徐華，博士，副教授。

江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目。