汽车防撞系统自动控制系统的设计.docx

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汽车防撞系统自动控制系统的设计

河南科技学院

2011届本科毕业论文（设计）

论文题目：

汽车防撞系统——自动控制系统的设计

*******

所在院系：

机电学院

所学专业：

电气工程及其自动化

导师姓名：

杨天明

完成时间：

2011年5月27日

摘要

本设计分析了汽车防撞系统的基本设计原理以及目前国内外此类防撞系统存在的问题。

并详细的介绍超声波测距系统。

它能自动检测车与障碍物的距离，当汽车行驶前方出现障碍物并对本车行使安全构成威胁时，汽车自动防撞器能实施自动报警、自动减速、自动制动，最终使汽车与障碍物避免相撞。

本设计的防撞装置在结构上采用微电脑技术和专用芯片设计，具有结构简单，小型化的特点，非常适合用于测控系统：

在软件设计上，突出模块的灵活性，并且AT89C51语言简洁，大大简化了编写程序的工作量。

比较在市场上已有的汽车防撞器，该系统结构紧凑，成本低，可靠性好，通信能力强，能有效地避免汽车相撞事故的发生，具有一定的市场价值。

本系统着重自动控制系统的设计。

关键词：

防撞系统，超声波，单片机，自动控制

Abstract

Thisdesignanalyzesthebasicdesignprincipleoftheautomotiveanti-collisionsystemandtheproblemofsuchanti-collisionsystemathomeandabroad.ItintroducesthesystemofultrasonicrangingindetailItcaninspeetautomaticallythedistancewhichisbetweenthecarandtheobstades.whenitappearsomeobstadesintheheadofthegoingvehicleandthreatsthesecareofthisvehicle,thedeviceoftheautomaticanti-collisioncancarryouttheautomaticalarm,automaticdeceleration,automaticbrake,andavoidthevehidecollidingtheobstades.Inthestructure,thisdesign’santi-collisiondeviceempoliesmicrocomputertechnologuandspecialchipdesign.Thedesignhasthecharacteristicsofsimplestructuresandminiaturizationandissuitableforobservationandcontrolingsysten.Inthesoftwaredesign,thisdesignprotudesthemodule’sflexibilityandAT89C51languageisconcise.Sotheprogrammingworkloadisgreatlysimplified.Comparedwiththealreadyautomotiveanti-collision,thisdevicehascompactstructure,lowcost,goodreliabilityandcommunicationability.Anditcanavoideffectivelytheofthecarcollision.Ithascertainmarketvalue.Thissystemfocusesonthedesignoftheautomaticcontrolsystem.

Keywords:

Anti-collisionsystem,Ultrasoud,Microcontroller,Automaticcontro

1绪论

随着我国社会经济近年来不断发展，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。

汽车保有量的增长和行驶速度的不断提高。

现在，各种汽车在高速公路上每小时跑上100-120公里，己经是很平常的事了。

但是自然界中的恶劣气候及驾驶员的疲劳不适等诸多因素，雨雾天气随时都有可能引发各种意外交通事故。

而高速公路上一旦发生意外交通事故，恐怕就会出现类似于“多米诺骨牌”的效应。

数辆甚至是数十辆汽车高速的碰撞在一起，彼此碰得残头破面、肢离破碎。

而这时最为可怕的却还是车内的乘员，因为他们要以自己的血肉之驱去和如此巨大的钢铁撞击相抗争。

而能够生还的希望往往却是非常的渺茫！

全球每年由交通事故造成的人员和财产损失的数目是惊人的，据来自公安部门的数据表明，中国在1999年内，全国因车祸造成的死亡人数83529人，伤残人数286080人，直接经济损失达21.2亿元人民币。

根据中国公安部2006年7月11日发布的新闻：

2006年上半年总共发生交通事故190270起，死亡达41933人，221838人受伤，直接财产损失达7.1亿元。

2007年春运期间，全国共发生交通事故28728起，造成7179人死亡、35879人受伤。

交通事故已经成为现代社会的第一公害。

因此，本系统的根本之目的，就是要充分利用各种先进的高新科学技术和手段，对运行中各种型号的汽车实施主动性的智能干涉、控制和保护，要把各种汽车从撞车事故的阴影惨状之中拖回来，要将撞车事故和车祸尽可能的消弥在无形之中。

据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30％，路面相关事故的50％，迎面撞车事故的60％。

与此同时，在智能汽车中，探测并反馈路况信息是汽车的自动化行驶的关键。

由此可见，探测技术对保障行车安全，提高汽车智能化水平有重要意义。

本系统是以主动避免和消除可能要发生的撞车事故为原则，智能化的积极主动去报警提醒司机及保护车辆。

因为只有保护好汽车不受到任何直接的碰撞，才能最大限度的保护车上乘员的人身生命安全。

因此，本系统是属于“主动性”的汽车智能防撞安全保护系统。

同时，本系统还能具有汽车超速行驶时自动进行警示。

而且，基于本系统的高科技性能和微处理系统。

1.1汽车防撞系统的现状及前景

随着时代的发展及社会的进步，越来越多的汽车进入了普通人的家庭。

尽管公路条件在不断改进，但仍然避免不了公路上汽车拥挤的现状，再加上车速逐渐提高，恶性交通事故无时无刻不在发生，给人们和社会带来了巨大的生命与财产损失。

造成汽车碰撞的原因十分复杂，既有车辆自身的因素，也有认为的因素，还有公路、气象等环境因素。

在上述多因素中，人为因素是造成汽车碰撞的主要原因。

车辆在交通拥挤的市区行使驾驶人员必须完成大量的换挡和踩离合器的工作，大约在每分钟完成20~30个手脚协调动作，而繁重的驾驶工作和驾驶人员的疲劳是交通事故频发的重要原因，因此，如何利用先进的技术来保证汽车安全，就显得尤为重要。

从20世纪80年代开始，国内外著名研究机构、大学和汽车生产商就开始积极研究汽车防撞系统。

加上全球日益高发的交通事故率，让这一研究具有广阔的市场前景。

近年来，汽车自动防撞系统越来越为人所熟知和青睐。

汽车自动防撞系统能够自动探测到障碍物及汽车周为环境，从而主动地避免碰撞。

汽车自动防撞系统主要分信号采集系统、数据处理系统和执行机构三部分。

分别起到数据检测、数据处理和方案执行的作用。

1.2本文主要研究内容

本课题主要是利用传感器技术、单片机技术以及电气控制技术，防止汽车发生碰撞的一种智能装置。

它能够自动发现可能与汽车发生碰撞的车辆、行人、或其他障碍物体，发出警报或同时采取制动或规避等措施，以避免碰撞的发生。

具有较为广阔的市场前景。

2汽车防撞系统的设计构想

2.1汽车防撞系统的结构与性能

汽车诞生给人类生活带来种种方便，同时由于车辆的增多随之而安全问题也给人类带来很多困扰。

为了充分利用汽车为人类带来的方尽可能地避免交通意外带来的惨剧，研究和推广汽车防撞系统日益显迫切。

2.1.1汽车防撞系统的构成

汽车防撞系统，是防止汽车发生碰撞的一种智能装置。

它能够自动发现可能与汽车发生碰撞的车辆、行人、或其他障碍物体，发出警报或同时采取规避等措施，以避免碰撞的发生。

汽车防撞系统主要由以下三个部分

（1）信息采集模块，是系统的信息获取部分。

驾驶员在行车中所道路、车辆和路况等信息将直接影响到汽车的主动安全性.为此，系统识别外界信息的传感器，通过测量装置感测外界危险信号，然后把这些计算处理。

目前用于车辆外界识别的传感器主要有超声波、激光、毫红外线、CCD摄像机等。

（2）信息决策模块，是系统的信息处理部分。

它是智能控制系统枢，通过对外界的信息进行处理判断，做出快速、准确的反应.这一部分编制相应的软件包并与硬件相结合，以实现信息处理智能化信息采集的是相结合的模式，来提高系统处理数据的能力。

（3）执行机构，是一个智能化的制动系统。

它是汽车安全驾驶的保障.如果ECU通过车速和距离测量后判定将要发生碰撞，安全系统就动发出一个紧急制动信号，制动器工作，车辆减速运行，直至车辆与障碍大于预警安全距离后，再自动解除制动工作。

2.1.2汽车防撞系统的性能

（1）探测距离

根据车速及天气情况等，汽车自动防撞系统的中央处理器会自动处理。

正常天气、恶劣天气效果同等，不受影响。

（2）制动性能

不改变原车的结构，不影响原车的制动性能。

安装了汽车自动防撞系统制动性能比原车制动性能更优越。

（3）自动防撞前方障碍物的性能

当汽车行使前方出现障碍物并对本车行使安全构成威胁时，汽车自动防撞器能实施自动报警、自动减速、自动制动，最终使汽车与障碍物避免相撞。

（4）对后车追尾碰撞的提前预警性能

汽车自动防撞器在工作状态下，后刹车灯提前点亮。

提醒后车司机注意，同时本车给后车留出一定的制动距离，以此避免后车追尾。

（5）起步、加速、超车性能

安装了汽车自动防撞系统，不影响原车的起步、加速、超车性能。

当汽车自动防撞系统工作避免事故发生后，本车自动恢复到初始状态，不影响原车的起步、加速、超车性能。

（6）开启和关闭性能

汽车自动防撞系统可根据驾驶人员的需要，开启或关闭。

（7）高集成化、高智能化、高适应性

集声、光、电、机多方面的高科技组合。

智能化的处理器，识别处理指令速度远远高于人脑的最快反映速度。

适用于各种类型汽车的安装。

2.2智能汽车防撞报警系统设计

本系统设计是基于AT89C51原理设计了智能防撞报警系统，给出了系统的硬件构成和软件程序设计，系统采用了温度补偿装置，提高了测距的精度。

在我国，由于城市人口的拥挤以及道路的狭窄，汽车的行进提供了方便的同时也带来了安全上的问题。

汽车防撞系统能使汽车在前进或倒车的时候，让司机看到车外的所有物体（人）及物体（人）离汽车的真实距离,同时还可以在汽车靠近物体（人）的时候发出报警信号,从而避免汽车撞上人或物体,增强汽车的安全性,保障人们的正常生活,提供汽车行进的安全性。

这样就使汽车具有一双智能化的“电子眼”,即超声波传感器。

2.3系统结构与检测距离工作原理

汽车防撞系统主要由超声波收发装置、单片机CPU控制、测温装置、报警装置、液晶显示接口等5部分组成,如图1所示。

系统检测距离的原理是通过单片机发出40kHz的方波串后，检测接收端是否接收遇障碍物反射的回波，同时利用单片机计算出收到回波所用的时间t和确定超声波所处温度下空气传播的速度v，其关系如表1，则障碍物到汽车距离为v×t/2，根据测出来的相应距离，通过CPU计算后判断作出报警响应、液晶显示等相应的控制。

温度/℃

-20

-10

0

10

30

40

波速/（m·s-1）

319

325

333

338

349

354

表1　温度与速度对应关系

为了能够实现准确地测出障碍物到汽车的距离,尽量减少误差,采取算法为:

两对超声波收发传感器分别安装在车尾,两者相隔1.6m,如图2所示,A、B分别代表两对超声波收发器,AB=1.6m,假设F代表障碍物,声波的传播速度为v,由于声波传播是来回反射的,则BF=v×t1/2,AF=v×t2/2,也就是只要把时间t1与t2确定下来就可以计算出BF与AF,然后利用海伦公式,设L=（AF+BF+AB）/2

有

这就可以求出△ABC的面积为S,则EF=2S/AB,其中EF就是汽车的尾部到障碍物的距离。

图2　测距算法

2.4超声波测距

防撞有微波、激光和超声等多种方法。

微波系统测距范围较远,由于采用相控阵天线成像技术,已达到了实用化的程度,只是目前成本居高不下。

国内已有公司设计出激光汽车防撞系统样品,但由于激光波束较窄、路障报告率偏低而暂时不能推广。

声波的发射和接收是自然界中的普遍现象。

频率低于20KHz的声波人耳可辨,进行着各式各样、错综复杂的自然声音传递,因背景复杂而不利做测试媒体使用。

频率高于20kHz的超声波不仅波长短、方向性好、能够呈射线定向传播,而且碰到界面就会有显著反射。

这些特性有利于选用超声波做媒体,测定物体的位置、距离甚至形状等。

超声波传感器的特性:

1.在自身特性谐振点40kHz附近可获得较高的灵敏度;2.谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制得很窄,有利于抗声波干扰设计;3.不受无线电频谱资源限制,易于抗电磁干扰设计。

另外,超声系统成本低、性能稳定可靠,应用前景好。

2.4.1超声波传感器原理

人耳的听音范围是20Hz~20kHz。

超声波是人耳听不到的一种声波，是一种频率高于20kHz的声波。

通常频率高于20kHz的超声波不仅波长短、方向性好、能够成射线定向传播、纵向分辨率比较高、对色彩和光照度不敏感、对外界光线和电磁场不敏感。

碰到界面就会有显著反射。

而且能在有灰尘、烟雾、有毒等各种环境中稳定工作。

这些特性都有利于选取超声波作为媒介，测定物体的位置、距离甚至形状等。

经综合比较基于超声波的汽车防撞系统的设计中。

采用的是超声波频率为40kHz的超声波传感器。

超声波传感器还能够是对射式的，即独立的发射器和接纳器。

当检测迟缓挪动的物体，或者需求快速响应或者在湿润环境中应用时，这种对射式或者叫分体式的超声波传感器十分适用。

在检测透明或有色物体、液体，检测润滑、粗糙、有光泽、半透明等资料的物体外表，和检测不规则物体时，超声波传感器都是首选。

3控制系统硬件设计

3.1控制系统方框图

汽车防撞控制系统方框图如图3所示。

该系统全部由单片机控制，超声波发射电路能在单片机的控制下发出超声波。

接收电路接收到信号之后送人单片机进行处理。

算出车与障碍物之间的距离，将处理结果送入显示电路进行显示，再按照技术指标的要求由声光报警电路进行报瞽。

图3超声波汽车防撞控制系统方框图

3.2AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式存储器提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51芯片外形结构和引脚分布如图4所示。

3.2.1AT89C51主要特性

（1）与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程FLASH存储器

（3）寿命：

1000写/擦循环图4AT89C51

（4）数据保留时间：

10年

（5）全静态工作：

0Hz-24MHz

（6）三级程序存储器锁定

（7）128×8位内部RAM

（8）32可编程I/O线

（9）两个16位定时器/计数器

（10）5个中断源

（11）可编程串行通道

（12）低功耗的闲置和掉电模式

（13）片内振荡器和时钟电路

3.2.2AT89C51管脚说明

（1）VCC：

供电电压。

（2）GND：

接地。

（3）P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O端口，作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

（4）P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

（5）P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

的输出

（6）P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

（7）RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

（8）ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

（9）/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

（10）/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

（11）XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

（12）XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2.3AT89C51振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.2.4AT89C51芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.2.4.1串口通讯

单片机的结构和特殊寄存器，这是编写软件的关键。

至于串口通信需要用到特殊功能寄存器，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等。

（1）SBUF数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。

SBUF包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址－99H。

CPU在读SBUF时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。

发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。

操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfrSBUF=0x99;当然你也可以用其它的名称。

通常在标准的reg51.h或at89x51.h等头文件中已对其做了定义，只要用#include引用就可以了。

（2）SCON串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。

SCON就是51芯片的串行口控制寄存器。

它的寻址地址是98H，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制51芯片串行口的工作状态。

51芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON寄存器。

它的各个位的具体定义如下：

SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI

　　SM0、SM1为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。

串行口工作模式设置。

　　SM0SM1模式功能波率

　　000同步移位寄存器fosc/12

　　0118位UART可变

　　1029位UARTfosc/32或fosc/64

　　1139位UART可变

　　在这里只说明最常用的模式1，其它的模式也就一一略过，可以从相关的硬件资料查看，表中的fosc代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。

UART为（UniversalAsynchronous