基于激光測(cè)距的汽車防撞警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁宗宇++郭建濤++劉滌非

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于激光測(cè)距的汽車防撞警示系統(tǒng)，在霧霾、雨、雪等能見度低的天氣下，如果汽車發(fā)生故障停在路邊，LED三角警示牌能使后方來(lái)車遠(yuǎn)距離清晰辨識(shí)。該設(shè)計(jì)利用激光測(cè)距模塊測(cè)量后方來(lái)車與故障車的距離，當(dāng)距離太近且后方車輛速度太快時(shí)LED三角警示牌自動(dòng)彈起并點(diǎn)亮，對(duì)后方來(lái)車駕駛員起到“預(yù)警”的作用。本次設(shè)計(jì)的LED三角牌警示系統(tǒng)主要包含四個(gè)方面，分別是STC89S52處理模塊、激光測(cè)距模塊、按鍵輸入模塊和顯示模塊。此設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：STC89S52；激光測(cè)距；諾基亞5110，汽車防撞系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP368.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-3044（2016）07-0244-03

Design of Anti-collision Warning System for Automobile Based on Laser Ranging

LIANG Zong-yu， GUO Jian-tao， LIU Tiao-fei

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic and Technology， Guilin 541004，China ）

Abstract： A car collision LED them system is designed， with which the car can be clearly identificated at a distance， if the car stops in the driveway in the low visibility weather such as fog， rain， snow. The design measures the distance to the following car and trouble truck with the laser ranging module. The LED caution sign automatically lights， when the distance is too close and the vehicle speed is too fast， which can warn the following cars drivers. The design of Anti-collision Warning System for Automobile Based on laser ranging mainly includes four aspects， which are STC89S52 processing module， the laser ranging module， key input module and display module. This design system test effect is good， which can realize the anticipated function， and have the very good market application prospect.

Key words： STC89S52； Laser ranging； Nokia 5110

1 概述

汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車行駛能夠達(dá)到的速度越來(lái)越高，但在發(fā)展的同時(shí)存在著很大的安全隱患，車速太快使駕駛員難以在短時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，容易造成交通事故的發(fā)生。綜合分析大量交通事故，結(jié)果表明，因司機(jī)反應(yīng)不及時(shí)導(dǎo)致的事故占到80%以上，追尾相撞引起的汽車碰撞事故超過65%比例。汽車安全問題已成為社會(huì)迫切需要解決的問題。

交通事故威脅著人類的生命安全，所以人們對(duì)所使用的汽車的安全性能有了更加高的要求。設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單可靠的能夠檢測(cè)到車輛距離還有車速，實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛在設(shè)定的安全距離范圍內(nèi)時(shí)向車主發(fā)出警報(bào)信號(hào)的安全系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中有著重大的意義。

針對(duì)霧霾、雨、雪等能見度低的天氣條件下，撞車事故發(fā)生概率較高的問題，設(shè)計(jì)了汽車防撞LED三角牌警示系統(tǒng)，利用激光測(cè)距在單片機(jī)控制下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路邊所停故障車輛與后方來(lái)車的距離，在進(jìn)入到安全距離內(nèi)時(shí)會(huì)使LED三角牌彈起并閃爍警示，提示后方來(lái)車及時(shí)避讓，對(duì)后方來(lái)車駕駛員起到“預(yù)警”的作用。減少和避免了撞車事故尤其是高速公路多輛汽車追尾碰撞事故的發(fā)生，為高精度汽車防撞系統(tǒng)提供了一種新的方法。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路是：用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)程序控制激光測(cè)距模塊工作，將測(cè)到的距離與設(shè)定的安全距離做比較，當(dāng)測(cè)到的距離比設(shè)定安全距離小時(shí)，液晶顯示屏顯示危險(xiǎn)信號(hào)和實(shí)際距離并且使LED三角牌彈起點(diǎn)亮起到警示作用。LED三角牌警示系統(tǒng)主要包含四個(gè)方面，分別是STC89S52處理模塊、激光測(cè)距模塊、按鍵輸入模塊和顯示模塊。按鍵模塊用來(lái)設(shè)定安全距離。顯示模塊包括三角警示燈、諾基亞5110液晶顯示，三角警示燈用來(lái)提醒有緊急情況，諾基亞5110用來(lái)顯示設(shè)定的安全距離和實(shí)際距離。激光測(cè)距模塊用來(lái)測(cè)定距離并反饋給STC89S52處理模塊。STC89S52處理模塊用來(lái)處理數(shù)據(jù)并控制其他模塊的工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1。

LED三角牌警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理是：開啟單片機(jī)開關(guān)，對(duì)STC89S52進(jìn)行初始化，并且設(shè)定車輛的安全距離，給激光測(cè)距模塊發(fā)送指令使其工作，電機(jī)開始工作并通過光電傳感器來(lái)將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成車速，經(jīng)過中斷將數(shù)據(jù)送到STC89S52，測(cè)距模塊接收到STC89S52的指令開始工作，將測(cè)到的距離值反饋給STC89S52，STC89S52對(duì)測(cè)距模塊和測(cè)速模塊反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再與設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到報(bào)警條件。

3 系統(tǒng)模塊硬件及軟件設(shè)計(jì)

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

本次供電模塊的功能是為激光測(cè)距模塊，單片機(jī)模塊和液晶顯示器供電。本次模塊由兩節(jié)電池供電6-7.4V，再通過一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓電源模塊把電壓降到5V，可調(diào)穩(wěn)壓電源模塊用降壓拓?fù)潆娐?，開關(guān)管用一個(gè)LM2596芯片，然后通過調(diào)節(jié)R1和R2的分壓比來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM的調(diào)節(jié)，讓電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。電壓5V再通過一個(gè)AMS117線性穩(wěn)壓芯片，把電壓降到3.3V給紅外線激光測(cè)距模塊供電。電源設(shè)計(jì)電路圖如圖2。

3.2 單片機(jī)及外圍電路設(shè)計(jì)

STC89S52單片機(jī)及外圍工作電路如圖 3所示。單片機(jī)的最小系統(tǒng)的工作電路只是包括了晶振電路及復(fù)位電路兩個(gè)部分。一般復(fù)位電路常用的是上電開關(guān)復(fù)位電路。單片機(jī)上電后，電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時(shí)間，此時(shí)單片機(jī)復(fù)位；而單片機(jī)已在運(yùn)行之中，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電開關(guān)復(fù)位的操作。常用的上電開關(guān)復(fù)位電路通常選取C=10-30pF的電容，R=10k的電阻。復(fù)位電路的作用是讓單片機(jī)的軟件指令從頭開始執(zhí)行。當(dāng)在其復(fù)位輸入端輸入一個(gè)高電平脈沖（持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上），便可以對(duì)其完成一次復(fù)位工作。

單片機(jī)工作需要振蕩時(shí)鐘脈沖，在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。單片機(jī)芯片含有高增益的反向放大器，在外接晶振后，構(gòu)成了自激振蕩器，并由自激振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。晶振通常選用6MHz、12MHz、24MHz。晶振兩端的電容C1、C2的作用是用來(lái)穩(wěn)定振蕩頻率和達(dá)到快速的起振效果。C1、C2電容值一般選用5-30pF。晶振電路為單片機(jī)工作提供了時(shí)鐘脈沖，本設(shè)計(jì)使用12MHz的晶振，并加兩個(gè)30pF的負(fù)載電容。

3.3 按鍵和顯示模塊設(shè)計(jì)

LED三角警示牌使用的液晶屏是諾基亞5110，用來(lái)顯示實(shí)際距離和危險(xiǎn)信號(hào)。諾基亞5110液晶屏只需要8根接口信號(hào)線，取好字模后，既可以顯示字符，同時(shí)還可以顯示圖像。諾基亞5110是48*84的點(diǎn)陣液晶屏，顯示漢字時(shí)，如果取的字模是16*12點(diǎn)陣的，那么也可以顯示3行，每行7個(gè)字。字模可以用取字模軟件取出，取出的時(shí)候要注意掃描方式，諾基亞5110液晶屏所用的是列式掃描，列式掃描就是每一個(gè)漢字可以作為上下兩部分進(jìn)行掃描，每一部分一列一列地掃描，每一列的長(zhǎng)度是八個(gè)字節(jié)，而且是順向掃描（下面為高位）。5110的背光使用的是3.3V因此外接一個(gè)470歐姆的電阻來(lái)分壓。

當(dāng)兩車距離在設(shè)置的安全距離內(nèi)時(shí)三角警示燈閃爍發(fā)出警示，故選用按鍵模塊通過單片機(jī)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)此功能。按鍵的作用是用來(lái)設(shè)定需要的安全距離。圖4為按鍵和液晶顯示電路圖。按鍵05是用來(lái)控制數(shù)字的個(gè)十百千位，即移位，按鍵06是用來(lái)改變當(dāng)前位置的數(shù)字大小，按鍵07的作用是跳出距離設(shè)置循環(huán)。按鍵是四腳封裝，同一列的是內(nèi)部連通，按鍵接5V電壓，并串聯(lián)一個(gè)分壓電阻，把按鍵其中的腳共地，按鍵未按下時(shí)，單片機(jī)管腳的輸入為高電平；當(dāng)按鍵按下時(shí)，按鍵的四個(gè)管腳都與地連通，電路形成通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的管腳輸入低電平信號(hào)，這樣就可以使用單片機(jī)程序判斷控制。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

汽車防撞LED三角牌警示設(shè)計(jì)軟件部分用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制各個(gè)芯片的工作，首先對(duì)單片機(jī)各個(gè)端口液晶顯示模塊、鍵盤按鍵、測(cè)距模塊和LED三角燈模塊進(jìn)行初始化，然后按照流程圖進(jìn)行編寫程序。主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試

完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)之后，首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的幾項(xiàng)功能，然后對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行測(cè)試。利用按鍵設(shè)定安全距離，設(shè)定的安全距離、激光測(cè)距結(jié)果會(huì)在顯示板上顯示。當(dāng)激光測(cè)距系統(tǒng)探測(cè)到后方行駛的車輛距離故障車輛等于或小于安全距離設(shè)置值時(shí)， LED三角警示牌自動(dòng)彈起并點(diǎn)亮警示后方來(lái)車。系統(tǒng)預(yù)期的功能能夠基本實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試激光測(cè)距的精確度的實(shí)驗(yàn)中，在 60～80m的測(cè)距距離范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)距的誤差范圍為3～10m。能夠滿足實(shí)際需要。測(cè)試不同安全距離下系統(tǒng)警示牌能否成功顯示的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)系統(tǒng)的安全距離進(jìn)行了不同的設(shè)定，觀察記錄警示牌能否成功亮起，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明安全距離在80米以內(nèi)，能夠達(dá)到80%以上的成功率，基本能夠滿足實(shí)際需要。

5 總結(jié)

縱觀最終結(jié)果，本汽車防撞警示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已基本完成了預(yù)期的功能要求，用按鍵設(shè)置好安全距離，利用激光測(cè)距在單片機(jī)控制下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路邊所停故障車輛與后方來(lái)車的距離，在進(jìn)入到安全距離內(nèi)時(shí)會(huì)使LED三角牌彈起并閃爍警示，提示后方來(lái)車及時(shí)避讓，對(duì)后方來(lái)車駕駛員起到“預(yù)警”的作用。系統(tǒng)以STC89S52單片機(jī)為控制器， 充分發(fā)揮了其優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制功能，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。采用了激光測(cè)量距離，測(cè)距效果基本達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求。

我國(guó)近年來(lái)汽車工業(yè)及高速、高架公路發(fā)展迅速。各種豪華旅游車、長(zhǎng)途客運(yùn)大巴士、集裝箱貨車和各種小轎車大量增加。為確保車輛行車安全，特別是在雨、雪、霧天氣中減少和避免高速公路上的撞車事故，汽車防碰撞系統(tǒng)需求量將十分可觀。為高精度汽車防撞系統(tǒng)提供了一種新的思路，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，提高了汽車安全性。

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