基于STC52單片機的超聲波傳感器汽車防撞報警系統(tǒng)的研究與設計

李繁華 余昌政 張晴

摘要：人們的生活由于汽車工業(yè)的高速發(fā)展，發(fā)生了翻天覆地的變化，特別是縮短了距離，但很多問題也隨之產(chǎn)生，例如交通事故、擁堵、環(huán)境污染等，其中，交通事故問題尤為嚴重。本文研究設計了一種新型汽車車輛防撞自動報警控制系統(tǒng)，基于STC52組建成的單片機控制倒車自動防撞報警系統(tǒng)，利用超聲波傳感器的應用特點和技術優(yōu)勢。此控制系統(tǒng)將數(shù)控超聲波自動測距控制系統(tǒng)和數(shù)控單片完美結合，軟、硬件功能互補，具備系統(tǒng)模塊化、多用化等基本特征，集社會效益與安全效益于一體，保障駕駛員的安全駕駛。

關鍵詞：超聲波;汽車;避障;報警

科技的迅猛發(fā)展帶來前所未有的變革，國家經(jīng)濟實力不斷增強進一步促進了人民生活水平的不斷提高。從出行安全角度來看，無論是個人用車還是交通運輸車輛，安全都是首要考慮的問題。而很多大中小貨車都存在有車輛視野駕駛盲區(qū)和車輛倒車行駛盲區(qū)，安全隱患很大，為了有效減少發(fā)生行車安全事故，避免不必要的意外和人身傷害，彌補車輛行車安全過程駕駛中的一些視野倒車盲區(qū)安全缺陷，促使車輛駕駛員在車輛泊車或者倒車行駛過程中能夠做出合理化的應急防護操作，讓車輛行車安全過程駕駛中的車輛泊車、倒車各個環(huán)節(jié)更加安全高效，從而大大提高車輛行車過程駕駛的安全系數(shù)。本文主要研究并提出設計一種本基于STC52單片機的新型超聲波碰撞傳感器用于汽車安全防撞事故報警控制系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)中，汽車的一個主自動控制器模塊是一個C52單片機，超聲波自動測距控制模塊實時自動測量一輛車尾與周圍幾個障礙物之間的一定距離以及數(shù)值，并實時更新，主要體現(xiàn)為當出現(xiàn)緊急情況時，系統(tǒng)會提醒駕駛者以及汽車周邊的行人，幫助駕駛員作出更及時的預判，類似于駕駛員的智慧眼睛，提前觀察并及時反饋。

1.汽車防撞報警系統(tǒng)研究意義

隨著國內經(jīng)濟的持續(xù)向好，我國交通運輸行業(yè)迅速發(fā)展，汽車的保有量迅速擴大，而很多新手很難提前判斷路況，導致交通安全問題越來越嚴重。而汽車都是強制上車險的，也會讓駕駛員有種僥幸心理，再加上路況復雜，馬路上行人、電動車的軌跡都是不可控因素，更加增大了行車難度。綜上所述，公路交通事故不斷增多，而其導致的各種損害也在不斷地增加。

從社會層面看，交通安全關乎著一個社會的和諧穩(wěn)定，如果交通事故多，且不能提前預警，那么對社會來說沒有辦法進一步促進社會的發(fā)展，阻礙社會的發(fā)展。從個體層面來看，交通事故對一個家庭是難以承受的意外，不管是從身體健康還是財產(chǎn)來說，都是致命的打擊，一個普通家庭遭遇車禍，可能會耗盡一個家庭的所有積蓄。行車安全需要人、車、道路、環(huán)境各要素的配合，一旦失調便有可能發(fā)生車禍。其中，人是作為交通行車途中最重要的因素，也是最不可控的，這里的人既可以包括汽車駕駛員也可以包括其他的交通行人，很多重大交通事故都可能是由汽車駕駛員的其他主觀因素直接導致的，例如汽車駕駛員們的精神狀態(tài)、駕駛員的技術、酒后酒醉駕車、超速行駛和錯誤判斷力的失誤等。而行人的意外出現(xiàn)也是對行車的極大考驗，這需要駕駛員具備極高的應急素質。數(shù)據(jù)分析表明，交通事故的主要原因是因為駕駛員的視野盲區(qū)和反映不夠迅速，即人的因素在交通事故因素中占了絕對比例，怎么解決駕駛員的視野盲區(qū)問題從而提醒駕駛員，預留出更長的反應時間是本文系統(tǒng)的重點解決問題。因此汽車駕駛員的自動駕駛技術水平和危險區(qū)的感知反應能力的不斷提升固然是關鍵，但是普通人的感知能力畢竟有限，在信息科學技術如此發(fā)達的今天，很多信息系統(tǒng)就已經(jīng)能有效協(xié)助汽車駕駛員能夠提前準確預知危險區(qū)的路況，從而有效提高日常行車的道路安全性。

當汽車處于危險狀況下，系統(tǒng)能夠向駕駛員發(fā)出信號同時自動采取危險規(guī)避措施，不光能夠代替人提前作出預判，現(xiàn)在很多汽車都可以做到自動駕駛，但是應急處理系統(tǒng)還不是每個汽車都能配備，因此汽車防撞系統(tǒng)的研究才能從根本上降低碰撞事故的發(fā)生率。但是穩(wěn)定、可靠、有效、價格低廉、適應性強的汽車安全防撞報警系統(tǒng)需要通過一系列算法得出，而這些系統(tǒng)的應用也是需要過程，研發(fā)出安全可靠的汽車防撞報警系統(tǒng)對于社會和個人都有極大的意義，特別是應用廣泛的系統(tǒng)更是利國利民。

2.基本原理

2.1超聲波和超聲波傳感器

超聲波作為一種人耳聽不到的頻率，廣泛應用于各種行業(yè)，超聲波具備波長短、方向性好、能夠成射線定向傳播、縱向分辨率搞、對色彩和光照度不敏感，對外界光線和電磁場不敏感、碰到界面就會有顯著反射的顯著優(yōu)勢，而且其應用的環(huán)境多樣，不會因為灰塵、煙霧和有毒燈就停止工作，成本低、穩(wěn)定性高，超聲波的這些特征都有利于其為汽車的超聲波定位提供便利，超聲波可以測定物體的位置、距離甚至形狀等，非常適合作為汽車安全防撞報警系統(tǒng)的預判功能。

2.2超聲波測距原理

超聲波自動測距技術是通過不斷自動檢測一個超聲波持續(xù)發(fā)射后是否遇到任何障礙物所產(chǎn)生反射的超聲回波，由一臺單片式微機進行實時自動檢測計算出一個超聲波持續(xù)傳播所用的持續(xù)時間?t。利用同種超聲波在同種超聲介質中連續(xù)傳播時間速度不變的數(shù)學性質，在平均聲速速度v函數(shù)已知的一定條件下，得到通過障礙物的距離超聲傳感器的平均距離速度。其中，v波分為高頻超聲和微波波速，常溫下波速取為344m/s。

3.系統(tǒng)設計

3.1硬件設計

本系統(tǒng)的設計將分為五個主要組成部分，每個部分都是必不可少的，而五個部分又互相關聯(lián)，合成整體，五個主要組成部分為控制器控制模塊、電源模塊、超聲波測距模塊、語音報警模塊、顯示模塊。

3.1.1微控制器模塊

本系統(tǒng)的STC89C52單片機是汽車的主要控制器，STC89C52低功耗、高性能，該單機片使用經(jīng)典的MCS-51內核，是汽車應用中較為廣泛的控制器，所以我們使用單片機達到實現(xiàn)倒車測距預警的功能，利用超聲波傳感器測距的原理，監(jiān)測車尾與裝置或裝置與障礙物之間的距離，團隊成員均熟練掌握該單機片的編程，并且能夠很好的應用。STC89C52是很多嵌入式控制應用系統(tǒng)的首要選擇，具備高靈活、超有效等特點。

3.1.2超聲波測距模塊

系統(tǒng)使用的測距模塊是利用超聲波測距系統(tǒng)設計的，超聲波測距系統(tǒng)具有簡單的特點，其原理是采用聲波特性中的反射原理構成的，根據(jù)所使用的時間，來測得實際距離，完成相關的測距任務工作等問題，其原理十分簡單，但也有一定的缺陷，其精度稍有偏差。

3.2軟件設計

本系統(tǒng)所采用的軟件設計系統(tǒng)是C語言編程，因為C語言編程有較為良好的編程環(huán)境，并且具有在線編程能力，是電子行業(yè)普遍使用的編程語言。本系統(tǒng)由主程序和發(fā)射、接收、顯示、按鍵子程序等模塊組成。

3.2.1主程序

初始和優(yōu)化主機子程序后，需要先手動調用主機顯示器的子程序，判斷播放裝置周圍環(huán)境是否是沒有任何障礙物的現(xiàn)象存在，如果周圍有任何障礙物，包括公共汽車、人、電動車等，主機子程序系統(tǒng)會實時讀取并自動處理播放超聲波的需要測量的間距以及數(shù)值，當預判是危險預警時，便會出現(xiàn)報警聲。

3.2.2顯示數(shù)據(jù)子程序

當發(fā)現(xiàn)有障礙物存在時，通過超聲波傳感測距，該程序能夠將數(shù)據(jù)傳給C52單片機處理，程序運行結束后，將運算數(shù)值反映到顯示器上。

3.2.3接收子程序

該個子程序的設計作用主要是為了通過實時顯示一個子程序值來獲得警報裝置與預設車尾實際裝置間距值的數(shù)值，該間距值應當?shù)扔诨蚧蛘咝∮谘b置預設車尾警報裝置間距的數(shù)值時，喇叭便會發(fā)出警報。

3.2.4按鍵子程序

按鍵子程序主要是調節(jié)有效間距，駕駛訓練營員可根據(jù)自己的需求調整自己需要的報警距離。比如是對應急情況反映慢的駕駛員可以把有效間距調大，這樣可以有更多的空間去應急處理。裝置上共有三個按鍵，左邊的按鍵是加，中間的是減，右邊的是設置和確定，裝置開機時以及設置成功時會發(fā)出語音提示。

4.結語

該系統(tǒng)具備4個特征，即精度較高、避干擾、具有自我保護能力、設計精準，節(jié)省能量，每個特征都為該系統(tǒng)所特有。本倒車系統(tǒng)報警設備設計成本低、精度高、可靠性高，將報警裝置直接運用于倒車系統(tǒng)整體設計中就達到了系統(tǒng)預期應用目的，設計合理，在電動汽車高速倒車行駛過程中系統(tǒng)能夠實時進行自動報警。

但是本報警系統(tǒng)在現(xiàn)階段技術水平有限，還不能完全預測所有各種情況，畢竟對于行車行駛過程和途中的各種情況非常難以預料，只能就危險處理方面難以實現(xiàn)向汽車駕駛員發(fā)出報警的各種情形，還有諸多情形難以實現(xiàn)，接下來我們會優(yōu)化系統(tǒng)，做好各種情況的應急準備。所以本監(jiān)控系統(tǒng)技術下一步的發(fā)展目標就是能夠實現(xiàn)自動測距剎車的安全功能，只有這樣汽車駕駛員的安全才更得到有效的保障，本自動測距控制系統(tǒng)也將具有優(yōu)良的經(jīng)濟社會效益和可靠的安全經(jīng)濟效益。

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基金項目：本文系安徽財經(jīng)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助，項目編號：202010378327。

作者簡介：李繁華（1999-），女，漢族，安徽宿州人，安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院，2018級本科生，電子信息工程專業(yè)。