關(guān)于超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)的教學(xué)課題設(shè)計(jì)

郭 林，楊立君，王 城，孟建建

(1.南京郵電大學(xué) 現(xiàn)代郵政學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引言

隨著當(dāng)前社會(huì)發(fā)展，小汽車(chē)正開(kāi)始融入每一個(gè)家庭，車(chē)輛日益增多，但是汽車(chē)造成的道路安全正在逐年增加[1]。隨著我國(guó)汽車(chē)生產(chǎn)量和持有量的快速增長(zhǎng)，高速公路的快速延伸，如果不加大汽車(chē)交通安全控制，交通安全事故會(huì)大量增加，造成更多的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。交通事故主要表現(xiàn)形式是碰撞，其中大部分是車(chē)-車(chē)碰撞和人-車(chē)碰撞。

專家對(duì)汽車(chē)交通事故的分析結(jié)果表明：若駕駛員能提早1秒鐘意識(shí)到會(huì)有交通事故發(fā)生，及時(shí)采取正確的應(yīng)急措施，則絕大多數(shù)事故都是可能避免發(fā)生的[2]。

發(fā)展智能交通系統(tǒng)與智能車(chē)輛技術(shù)能夠有效解決我國(guó)交通安全問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)基于超聲波測(cè)距技術(shù)的智能化汽車(chē)車(chē)距報(bào)警系統(tǒng)，組建大學(xué)生創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。理論證明，這套系統(tǒng)能夠有效避免追尾事故的發(fā)生，對(duì)人民生命安全做出更好的保障。

1 汽車(chē)超聲波測(cè)距智能報(bào)警系統(tǒng)原理

汽車(chē)距離測(cè)量報(bào)警系統(tǒng)是在汽車(chē)行駛過(guò)程中，對(duì)汽車(chē)前方向的物體進(jìn)行距離檢測(cè)，在汽車(chē)與前面物品距離達(dá)到一定值時(shí)進(jìn)行聲音報(bào)警，提示駕駛員危險(xiǎn)物的距離以及危險(xiǎn)程度，以便讓駕駛員采取相應(yīng)的措施，避免交通事故的發(fā)生。

汽車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)由信息采集、信息處理、信息判斷、預(yù)警信息等四個(gè)部分組成[3]。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框架如圖1所示。系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，單片機(jī)內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器,SRAM,UART,SPI,AD,PWM等模塊。系統(tǒng)的信息采集采用超聲波測(cè)距技術(shù)系統(tǒng)，超聲波探頭選用的是UCM40T/R[4-5]。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 信息采集

目前，汽車(chē)測(cè)距多采用紅外線和超聲波傳感器，因紅外線測(cè)距信號(hào)速度快，不易捕捉，易受背景光影響，抗干擾性差，并且反射光強(qiáng)度受被探測(cè)物外表光滑度、顏色等因素影響。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。所以本課題使用超聲波技術(shù)來(lái)測(cè)量汽車(chē)車(chē)距。

超聲波在空氣中傳播功率及精度與頻率成正比,比較和分析幾個(gè)常用超聲波頻率的特點(diǎn),最終選取頻率為40 kHz。

超聲波測(cè)距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理與系統(tǒng)控制裝置三部分組成，如圖2所示[6]。

圖2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖

工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短U脈沖。超聲波接收器在接收到遇障礙物反射回來(lái)被探頭接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由低噪聲運(yùn)放OP07構(gòu)成的兩級(jí)同相比例電路放大，再由LM567音頻譯碼器選頻濾波，消除噪聲后，由I/O端口送入STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)由超聲波發(fā)出到接收的所用時(shí)間，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出障礙物與小車(chē)距離。

3 信息處理

研究表明[7]聲音在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣中的傳播速度為：V=340 m/s。當(dāng)汽車(chē)前方有障礙物時(shí)，根據(jù)STC89C52單片機(jī)的計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間T可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離x2。即：

(1)

在汽車(chē)行駛中，系統(tǒng)通過(guò)儀表盤(pán)反饋的汽車(chē)速度，根據(jù)《物理學(xué)》[8]有加速度公式：

V2=2×a×x1

(2)

摩擦力公式：

f=μ×m×g

(3)

根據(jù)式(2)和(3)計(jì)算出安全車(chē)距x1。

4 信息判斷

每當(dāng)汽車(chē)行駛時(shí)，前方有另外汽車(chē)時(shí)，通過(guò)超聲波測(cè)距儀測(cè)得兩車(chē)距離x2的數(shù)值，并在STC89C52單片機(jī)上做一個(gè)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行安全預(yù)警。當(dāng)x2小于x1時(shí)，單片機(jī)就會(huì)控制蜂鳴器，數(shù)碼管發(fā)出預(yù)警信息[9-10]。

5 預(yù)警信息

預(yù)警信息部分主要進(jìn)行危險(xiǎn)級(jí)別判斷、危險(xiǎn)方向以及相應(yīng)的聲光報(bào)警。該系統(tǒng)的預(yù)警部分由蜂鳴器，數(shù)碼管組成。

單片機(jī)將與障礙物的距離顯示在數(shù)碼管上，并且當(dāng)x2小于x1時(shí)，控制蜂鳴器發(fā)出聲音提醒駕駛員。未來(lái)可嵌入汽車(chē)制動(dòng)模塊，在緊急情況下控制汽車(chē)進(jìn)行強(qiáng)制制動(dòng)[11-12]。

6 程序設(shè)計(jì)

程序啟動(dòng)后，進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始進(jìn)行超聲波距離測(cè)定，流程如圖3所示。當(dāng)檢測(cè)到障礙物，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理，如果得到的安全距離大于預(yù)設(shè)閾值或無(wú)障礙物，程序進(jìn)入超聲波測(cè)距循環(huán)。如果安全距離小于閾值，程序進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，數(shù)碼管顯示汽車(chē)與障礙物之間的距離并用蜂鳴器發(fā)出聲音提醒駕駛員。

圖3 系統(tǒng)程序流程

7 系統(tǒng)測(cè)試

汽車(chē)超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室里模擬進(jìn)行，汽車(chē)用智能小車(chē)來(lái)替代。首先設(shè)計(jì)好小車(chē)行駛路徑，障礙物用相同材質(zhì)、顏色、形狀放置于小車(chē)前進(jìn)路徑中，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

結(jié)果表明，該系統(tǒng)在較低的誤差下，能有效的測(cè)量與障礙物之間的距離。

當(dāng)超聲波傳感器探測(cè)出前車(chē)安全距離小于閾值，系統(tǒng)在數(shù)碼管上顯示距離結(jié)果進(jìn)行報(bào)警操作，如圖4所示，且報(bào)警操作的響應(yīng)時(shí)間延遲為ms量級(jí)，具備足夠的靈敏度以提醒駕駛員減速規(guī)避汽車(chē)行駛中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 超聲波傳感器及距離顯示數(shù)碼管

8 結(jié)語(yǔ)

本課題所設(shè)計(jì)的基于超聲波測(cè)距技術(shù)的智能化汽車(chē)車(chē)距報(bào)警系統(tǒng)具有精度高，可靠性好，成本低，技術(shù)成熟等特點(diǎn)。系統(tǒng)將超聲波模塊、STC89C52單片機(jī)、數(shù)碼管顯示模塊、蜂鳴器模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)通過(guò)超聲波測(cè)距技術(shù)得到與障礙物的距離，再把距離與安全距離做比較，如果汽車(chē)與障礙物的距離小于安全距離，系統(tǒng)將控制蜂鳴器報(bào)警。

隨著汽車(chē)防碰撞系統(tǒng)功能的不斷健全和提升，道路交通安全事故將會(huì)得到有效的控制，從而使我們的行車(chē)生活處于舒適、安全之中。本課題設(shè)計(jì)是從電子技術(shù)知識(shí)綜合應(yīng)用角度出發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，課題的成功研發(fā)大大提高了大學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)分析工程實(shí)踐中遇到的問(wèn)題并綜合運(yùn)用所掌握的知識(shí)解決問(wèn)題的能力。