基于單片機(jī)的汽車(chē)防誤踩油門(mén)安全系統(tǒng)

厲進(jìn)步， 李明娟， 劉偉波， 高 斌， 訾 陽(yáng)

(濱州學(xué)院 a. 飛行學(xué)院； b. 物理與電子科學(xué)系， 山東 濱州 256603)

0 引 言

汽車(chē)是當(dāng)今社會(huì)中最主要的交通工具之一，隨著人民生活水平的提高，有車(chē)一族越來(lái)越多，相應(yīng)的交通事故也隨之增多。其中，由于慌亂、疲勞駕駛等原因本該踩剎車(chē)而誤踩油門(mén)引起交通事故的占很大一部分比例[1-4]。在緊急情況下，由于駕駛員大腦因緊張慌亂，特別是新手駕駛員更易忙中出錯(cuò)，誤踩了油門(mén)，導(dǎo)致車(chē)輛不但不會(huì)停止，反而會(huì)加速?zèng)_向前方，從而造成更加嚴(yán)重的事故。如何更好地避免此類(lèi)事故的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外一些相關(guān)人員和機(jī)構(gòu)在此方面作了大量的研究，設(shè)計(jì)了較多的防誤踩的裝置，如油門(mén)制動(dòng)聯(lián)動(dòng)器、油門(mén)制動(dòng)裝置等，但這些設(shè)計(jì)和研究仍存在一定的問(wèn)題和缺陷，比如有些設(shè)計(jì)是純機(jī)械式的，系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以得到保證[5-7]。針對(duì)上述不足，本設(shè)計(jì)在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)油門(mén)防誤踩裝置作了進(jìn)一步的改進(jìn)，以更有效地減少或避免因油門(mén)誤踩而引起的交通事故，最大限度地保證駕駛員和車(chē)輛的交通安全。

1 系統(tǒng)組成及基本工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

汽車(chē)防誤踩油門(mén)安全系統(tǒng)包括：STM32單片機(jī)、電源模塊、穩(wěn)壓電路、電子油門(mén)踏板裝置、語(yǔ)音模塊、超聲波測(cè)距模塊、mpu6050(陀螺儀+加速度)模塊、車(chē)燈轉(zhuǎn)向模塊和車(chē)體部分。

1.2 基本工作原理

汽車(chē)防誤踩油門(mén)安全系統(tǒng)以STM32F107單片機(jī)作為主控制器：① 汽車(chē)行駛中當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，司機(jī)容易誤將電子油門(mén)踏板裝置當(dāng)成剎車(chē)踩，在這種情況下，系統(tǒng)會(huì)綜合電子油門(mén)踏板移動(dòng)的加速度和超聲波測(cè)得前方物體的距離采取緊急處理措施和進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示；② 高速行車(chē)時(shí)，當(dāng)自身車(chē)體與前方物體的靠近加速度過(guò)大時(shí)，語(yǔ)音模塊會(huì)提醒司機(jī)減速行駛；③ 夜間轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)mpu6050(陀螺儀+加速度)傳感器的狀態(tài)來(lái)控制前照燈是否轉(zhuǎn)向，從而減少司機(jī)盲區(qū)。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1電子油門(mén)踏板

電子油門(mén)踏板是指電子節(jié)流閥控制加速踏板機(jī)構(gòu)(Electric Throttle Control Accelerator Pedal Mechanism,ETC-APM)[8]，它的功能是響應(yīng)駕駛員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的需求，提供一個(gè)電壓信號(hào)給動(dòng)力總成控制模塊(ECU)。

2.1.2單片機(jī)(STM32F107)

STM32的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12 b 1-Msample/s AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)(快速交替模式下2M sample/s)、2個(gè)12 b DA(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、2個(gè)I2C接口、5個(gè)USART接口和3個(gè)SPI端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口IIS。STM32F107擁有全速USB(OTG)接口，兩路CAN2.0B接口以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊，其強(qiáng)大的外設(shè)資源完全能夠完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[9-11]。

2.1.3姿態(tài)傳感器(mpu6050)

姿態(tài)傳感器(mpu6050)具有功耗低、控制簡(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)，不僅有利于降低系統(tǒng)功耗還能節(jié)省車(chē)體空間。

2.1.4超聲波測(cè)距傳感器(KS103)

超聲波測(cè)距傳感器(KS103)探測(cè)范圍為1～800 cm，探測(cè)頻率可達(dá)500 Hz。本傳感器使用 I2C/串口接口與主機(jī)通信，采用獨(dú)特的可調(diào)濾波降噪技術(shù)，電源電壓受干擾或噪音較大時(shí)，仍可正常工作。

2.1.5語(yǔ)音模塊(BMP5008)

語(yǔ)音模塊采用BMP5008系列新型多段語(yǔ)音錄放板，外加SPI接口的NOR FLASH的全新設(shè)計(jì)思路。用戶(hù)可自由定義6個(gè)I/O口的觸發(fā)功能為單段觸發(fā)放音還是62段(8421 并行編碼)地址選段放音。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1軟件控制基本策略

當(dāng)踩下踏板的加速度大于設(shè)定值時(shí)[12-13]，語(yǔ)音模塊會(huì)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)單片機(jī)會(huì)綜合超聲波測(cè)得前方障礙物的距離來(lái)控制車(chē)速；當(dāng)踩下踏板的加速度小于設(shè)定值時(shí)汽車(chē)正常加速行駛。超聲波測(cè)得與前方物體的距離較近時(shí)，語(yǔ)音模塊會(huì)提醒司機(jī)注意行車(chē)安全。

汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，單片機(jī)讀取mpu6050數(shù)據(jù)并進(jìn)行卡爾曼濾波，進(jìn)而控制車(chē)燈轉(zhuǎn)向，以減小夜間視野盲區(qū)。

以圖1所示時(shí)序圖1 Byte必須保證是8 b長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，先傳送最高位(MSB)，每一個(gè)被傳送的字節(jié)后面都必須跟隨一b應(yīng)答位(即一幀共有9 b)。如果一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，則自動(dòng)認(rèn)為從機(jī)已正確接收到數(shù)據(jù)。KS103在發(fā)送完探測(cè)指令后，需要等待一段時(shí)間方可以獲取正確的16 b I2C數(shù)據(jù)。而對(duì)我們來(lái)說(shuō)，只知道最大探測(cè)時(shí)間，但并不確知實(shí)際每次的探測(cè)時(shí)間。KS103采用了探測(cè)結(jié)束智能識(shí)別技術(shù)，探測(cè)過(guò)程中SCL將一直保持為低電平，用戶(hù)可以通過(guò)查詢(xún)SCL線(xiàn)是否變?yōu)楦唠娖絯hile(!SCL)語(yǔ)句來(lái)等待，SCL線(xiàn)變?yōu)楦邉t表明探測(cè)完畢， 可以開(kāi)始通過(guò) I2C總線(xiàn)接收到 KS103探測(cè)到的16 b數(shù)據(jù)。

圖1 IIC數(shù)據(jù)傳送格式

2.2.2系統(tǒng)程序及結(jié)構(gòu)

#include "stm32f10x.h"

#include "stm32_eval.h"

#include "stm32f10x_adc.h"

#include "stm32f10x_dma.h"

#include "iic.h"

#include "stm32f10x_tim.h"

#include "stm32f10x_gpio.h"

#include "stm32f10x_it.h"

#include "chaoshengbo.h"

#include "USART.h"

#include

#define pwm1 TIM1->CCR1

#define pwm3 TIM1->CCR3

#define pwm4 TIM1->CCR4

int main(void)

{

unsigned char i;

u8 count,ave1=0,ave2=0,b=1;

uint16_t data;

system_init();

while(1)

{GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_12); GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_13);

GPIOB->IDR=GPIOB->IDR&0x000F;

data=GPIOB->IDR;

if((data&1<<0)&&(b==1))

{GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);

pwm1=1650;

pwm3=1650;

for(i=0;i<200;i++)

{

pwm1=pwm1-2;

pwm3=pwm3-2;

Delay(40);

}

b++; GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_8);

}

if((data&1<<1)&&(b==2))

{

pwm1=1250;

pwm3=1250;

for(i=0;i<255;i++)

{

pwm1=pwm1+2;

pwm3=pwm3+2;

Delay(40);

}

b++;

}

if((data&1<<2)&&(b==3))

{GPIO_ResetBits(GPIOE,

GPIO_Pin_9);

pwm1=1760;

pwm3=1760;

for(i=0;i<125;i++)

{

pwm1=pwm1-2;

pwm3=pwm3-1;

Delay(40);

}

b++;

GPIO_SetBits(GPIOE,

GPIO_Pin_9);

}

if(result1<40)

{GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_6);

}

}

}

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是提高汽車(chē)駕駛員行車(chē)安全系數(shù)的系統(tǒng)。測(cè)距傳感器測(cè)量車(chē)體到障礙物的距離，并把接收到的回波信號(hào)傳送給單片機(jī)。單片機(jī)接收到回波信號(hào)會(huì)自動(dòng)判斷當(dāng)前車(chē)距是否在安全距離內(nèi)，當(dāng)距離較近時(shí)語(yǔ)音模塊會(huì)自動(dòng)報(bào)警。電子油門(mén)踏板內(nèi)的位置傳感器檢測(cè)踏板踩下的深度，并把傳感器的數(shù)值送給單片機(jī)，如果單片機(jī)檢測(cè)到微小時(shí)間內(nèi)踏板移動(dòng)位置較大[14-16]，它會(huì)綜合超聲波所得的信號(hào)自動(dòng)調(diào)整行車(chē)速度，緊急情況下會(huì)自動(dòng)停車(chē)，最大限度地保護(hù)人和車(chē)的安全。

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