車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)

文/康凱

1 引言

隨著人們生活水平的提高，汽車數(shù)量激增，使得停車場(chǎng)等公共交通場(chǎng)所變得擁擠不堪，許多司機(jī)因車輛使用不當(dāng)，在停車時(shí)車門開啟瞬間，車門會(huì)碰撞到障礙物或者行人造成的糾紛變得越來(lái)越多。這種事故雖然很容易被忽視卻是很常見(jiàn)并且非常嚴(yán)重的問(wèn)題。

為了解決車門開啟瞬間使駕駛員及乘客忽略車輛周圍安全的問(wèn)題，本文基于單片機(jī)及超聲波測(cè)距的原理，制作一簡(jiǎn)單低成本的車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)，期望在實(shí)際中得到應(yīng)用推廣，減少因車門開啟造成的交通事故等問(wèn)題，以使駕駛員用車更放心，行人更安心。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

危險(xiǎn)區(qū)域及檢測(cè)區(qū)域的界定。本系統(tǒng)所定義的危險(xiǎn)區(qū)域主要分為兩個(gè)組成區(qū)域，一部分是橫向危險(xiǎn)區(qū)域，指家用轎車在靜止?fàn)顟B(tài)下兩側(cè)車門由關(guān)閉至完全打開過(guò)程中所掃過(guò)的面積之和；另一部分為縱向危險(xiǎn)區(qū)域，為轎車在靜止?fàn)顟B(tài)下，車輛后方正常行駛非機(jī)車及行人在汽車車門開啟時(shí)發(fā)生碰撞或剮蹭的距離范圍。根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域確定系統(tǒng)檢測(cè)的區(qū)域。

橫向檢測(cè)區(qū)域：家用轎車的車門數(shù)為2至4扇，長(zhǎng)度為1.2m左右，大部分車門均在1.2m范圍以內(nèi)，開啟角度為90度。

縱向檢測(cè)區(qū)域：根據(jù)有關(guān)規(guī)定，電動(dòng)自行車上路行駛速度被限制在40km/h以內(nèi)，而人從發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)到采取相應(yīng)的安全措施的時(shí)間在0.2s左右，所以以電動(dòng)自行車為準(zhǔn)，車輛后方應(yīng)該檢測(cè)的面積為寬度約兩米，長(zhǎng)度為8米的長(zhǎng)方形區(qū)域。

圖1：超聲波雷達(dá)范圍圖

根據(jù)超聲波探頭發(fā)射并接收超聲波的范圍，在車輛每個(gè)車門各安裝一個(gè)超聲波探頭，超聲波范圍如圖1所示。圖2中，在汽車的車身安裝6個(gè)超聲波測(cè)距裝置，1,2,3,4,5,6它們與車位之間的距離分別為d1，d2，d3，d4，d5，d6，采集這6個(gè)測(cè)距裝置與障礙物之間的距離，通過(guò)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值之間的比較，就能夠判斷車門開啟范圍內(nèi)是否有障礙物。例如，當(dāng)d1≤d設(shè)定值，則報(bào)警器就會(huì)響起，提醒駕駛員門外有潛在的危險(xiǎn)，以此保證駕駛員，乘客以及車外行人的安全。

圖2：超聲波探頭安裝位置圖

圖3：LED數(shù)碼管原理圖

在垂直方向上，由于超聲波傳感器發(fā)出的是一錐型波，所以根據(jù)超聲波的波形，傳感器最適宜的安裝位置為汽車后視鏡的下方5厘米至10厘米，這樣既不會(huì)影響超聲波的傳播，也比較容易安裝，不影響汽車的外觀。

3 系統(tǒng)硬件的選取與設(shè)計(jì)

防撞預(yù)警系統(tǒng)硬件主要由超聲波測(cè)距電路，單片機(jī)電路（采用AT89S52單片機(jī)控制電路），顯示及報(bào)警電路，按鍵調(diào)整電路，供電裝置等幾部分組成。各部分的主要功能如下：

3.1 超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距模塊是通過(guò)幾個(gè)超聲波測(cè)距裝置，獲得汽車各車門與障礙物之間的距離，為單片機(jī)做出判斷提供依據(jù)。以超聲波測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ)的超聲波定位系統(tǒng)，其性能的好壞與測(cè)距精度的高低有著非常緊密的關(guān)系。因此，超聲波距方法的選擇往往是決定超聲波距定位系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)是否優(yōu)良的關(guān)鍵。

本設(shè)計(jì)選用渡越時(shí)間檢測(cè)法TOF來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波對(duì)于距離的測(cè)量以及最終目標(biāo)體的定位。其工作原理是：超聲波發(fā)射裝置固定安裝在定位目標(biāo)體上，裝置啟動(dòng)后，超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波，而超聲波接收端的單片機(jī)立即啟動(dòng)它的定時(shí)器，作為計(jì)時(shí)初始值；當(dāng)超聲波接收端的接收裝置接收到超聲波信號(hào)時(shí)，超聲波接收端的單片機(jī)立即關(guān)閉它的定時(shí)器，作為計(jì)時(shí)終值。其所經(jīng)歷的時(shí)間就是超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波到超聲波接收裝置接收到超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，用此時(shí)間乘以空氣中超聲波的傳播速度，所計(jì)算出的值就是超聲波聲源（也就是定位目標(biāo)體）與障礙物之間的距離。因此通過(guò)測(cè)量渡越時(shí)間就可以測(cè)量出距離。超聲波的測(cè)距公為式（1）所示。

式中L表示所測(cè)量的距離；C表示空氣中超聲波的傳播速度；T表示測(cè)量距離傳播的時(shí)間差（T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半）。

3.2 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)模塊是接收超聲波測(cè)距裝置傳輸來(lái)的信號(hào)，根據(jù)預(yù)存的程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理判斷，并將判斷后的信號(hào)傳輸給顯示及報(bào)警模塊。本文選用的AT89S52 是ATMEL公司的CMOS 8位單片機(jī)，其I/O口的功能再次不在贅述。

3.3 顯示及報(bào)警模塊

顯示及報(bào)警的作用主要是為駕駛員以及乘客報(bào)警，顯示檢測(cè)的結(jié)果，在系統(tǒng)中的作用非常重要。本設(shè)計(jì)中顯示模塊采用LED顯示屏，具體設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

系統(tǒng)采用電磁式蜂鳴器，當(dāng)距離超出預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警響聲。

3.4 按鍵調(diào)整模塊

按鍵調(diào)整模塊的主要作用就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)。由于系統(tǒng)采用的是超聲波進(jìn)行檢測(cè)，容易受到溫度變化的影響。冬夏季節(jié)的巨大溫差必然會(huì)造成系統(tǒng)的微小偏差。因此，對(duì)需要檢測(cè)的區(qū)域進(jìn)行一次收發(fā)射超聲波，由于溫度的誤差將在0.06m左右，即6cm。此時(shí)便可通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，讓系統(tǒng)保持一定的精確性，以保證預(yù)警系統(tǒng)的可靠性，使汽車使用更安全。具體的補(bǔ)償方法為：每當(dāng)溫度升高10℃左右時(shí)，使用距離增加調(diào)整按鍵，使報(bào)警距離增加0.06m。相反，溫度每降低10℃左右，使報(bào)警距離增減少0.06m。

4 系統(tǒng)功能說(shuō)明

TH0×256時(shí)間值+TLO中讀取出來(lái)的時(shí)間差數(shù)據(jù)并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)闀r(shí)間差值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為Outcome=TH0×256+TL0； Outcome=(Outcome×1.7)/100。其 中，V為 聲音在常溫下的傳播速度，T為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，在這個(gè)部分中信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。

顯示報(bào)警程序中，當(dāng)距離障礙物大于5cm且小于40cm時(shí)，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警鳴聲處于警告區(qū)；當(dāng)障礙物距離大于40cm時(shí)，蜂鳴器不會(huì)響，表示處于安全區(qū)。

通過(guò)軟件的處理得到距離送顯示輸出用三位 LED 顯示。因?yàn)椴捎脝纹瑱C(jī)AT89S52并且考慮了系統(tǒng)的控制流程，所以整一個(gè)系統(tǒng)軟件都是 AT89S52系列單片機(jī)的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。由于距離值的得出和顯示是在中斷子程序里完成的，因此在初始化的發(fā)射程序后進(jìn)入到中斷響應(yīng)的等待過(guò)程。繼中斷響應(yīng)后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)值和距離值換算子程序與二進(jìn)制和十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序之后顯示輸出。整一個(gè)系統(tǒng)軟件的功能實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序等主要的部分。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)用車過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題提出了車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

（2）對(duì)車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)的硬件（超聲波測(cè)距電路，單片機(jī)電路顯示及報(bào)警電路，按鍵調(diào)整電路，供電裝置）進(jìn)行了選取與設(shè)計(jì)。

（3）應(yīng)用匯編語(yǔ)言對(duì)防撞預(yù)警程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)完成了系統(tǒng)的模型。