車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單片機(jī)的應(yīng)用

盛 彬 王舒瑋

（山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，大同 037003）

汽車一度被譽(yù)為“改變世界的機(jī)器”。在近幾十年里，汽車工業(yè)得到飛速發(fā)展。它不僅推動(dòng)了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，而且逐漸成為人類工業(yè)文明的標(biāo)志。但是，調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今社會(huì)車流量不斷增大，給道路交通系統(tǒng)帶來(lái)了一系列惡劣后果。第一，交通堵塞。目前山西省各大城市城市擁堵嚴(yán)重，已經(jīng)成為急需解決的城市問(wèn)題之一。第二，環(huán)境污染。汽車尾氣已成為自然環(huán)境的主要污染源。酸雨、溫室效應(yīng)和霧霾等現(xiàn)象嚴(yán)重危害人類健康。第三，交通事故。交通事故嚴(yán)重危害人類的生命，已成為世界第五大死因。面對(duì)嚴(yán)峻的道路安全需求，僅通過(guò)增加交通道路的通行面積或者僅從車輛方面考慮，都不能解決日益嚴(yán)重的道路交通問(wèn)題。為了有效提醒司機(jī)，規(guī)范司機(jī)的駕駛行為，汽車生產(chǎn)制造商研制了車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。該系統(tǒng)功能完善，可以有效提醒司機(jī)注意控制車速，避免車距過(guò)近，以預(yù)防道路安全事故的發(fā)生，確保司機(jī)和乘客的出行安全。

1 車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景

我國(guó)的交通情況錯(cuò)綜復(fù)雜，且在該領(lǐng)域的研究起步較晚。近些年，我國(guó)的汽車保有量急速增加。作為世界第二大汽車消費(fèi)國(guó)，我國(guó)的交通擁堵、環(huán)境污染和頻發(fā)的交通事故等成為必須解決的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使人們出行方式朝向多樣化發(fā)展，也導(dǎo)致安全事故多發(fā)、頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年都有50萬(wàn)起交通事故，是世界上交通事故發(fā)生率較高的國(guó)家，且因交通事故導(dǎo)致人員傷亡的事件也較多。分析交通事故原因發(fā)現(xiàn)，事故多由司機(jī)駕駛疏忽遇到緊急事件反應(yīng)不及時(shí)、車輛在行使過(guò)程中速度較快出現(xiàn)追尾撞擊、司機(jī)在行使過(guò)程中接打電話或聊天沒(méi)有注意路面狀況等引起，導(dǎo)致車輛與各種障礙物發(fā)生撞擊[1]。如果司機(jī)可以提前意識(shí)到危險(xiǎn)的存在，及時(shí)采取緊急制動(dòng)措施，就可以有效避免交通事故的發(fā)生。為了降低交通事故發(fā)生率，保證司機(jī)的行駛安全，汽車制造商在車內(nèi)設(shè)置安全氣囊和安全帶來(lái)保護(hù)司機(jī)、乘客。但是，這種方法屬于被動(dòng)預(yù)防，無(wú)法有效降低交通安全事故發(fā)生率，在一些嚴(yán)重突發(fā)事件下會(huì)失去效力。因此，本文設(shè)計(jì)研制了一種可以有效提醒司機(jī)車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)事前預(yù)測(cè)、預(yù)防和智能控制，減少交通事故的發(fā)生[2]。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)主要包括全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）模塊、單片機(jī)控制模塊、聲光報(bào)警模塊、震動(dòng)傳感器模塊、遙控模塊、無(wú)線發(fā)射和接收模塊等。通信能力受限和系統(tǒng)是非線性動(dòng)態(tài)模型問(wèn)題，是設(shè)計(jì)時(shí)保障系統(tǒng)控制性能的關(guān)鍵。另外，單片機(jī)作為核心控制模塊，基本運(yùn)行必須包含電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和芯片，然后根據(jù)實(shí)際需求加上其他控制模塊，以處理聲光報(bào)警和傳感器內(nèi)的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警模塊啟動(dòng)后，傳感器檢測(cè)模塊會(huì)啟動(dòng)，檢測(cè)部分信息包括位置、速度、車間距等，通過(guò)傳感器獲取的其余車輛的信息是否可用和執(zhí)行器工作是否正常等信息，判斷車隊(duì)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)一旦感受到外界危險(xiǎn)信息，就會(huì)促使模塊改變?cè)瓉?lái)的狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)在接收到信號(hào)后會(huì)自動(dòng)處理，最終通過(guò)聲光報(bào)警器發(fā)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)其報(bào)警[3]。同時(shí)單片機(jī)會(huì)發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)和GSM的通信，最終向司機(jī)發(fā)出短信。司機(jī)手機(jī)的通信模塊和GSM模塊主要通過(guò)通信接口連接，可以有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3 車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以基本理論、技術(shù)和現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)，采用理論研究、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，既要通過(guò)理論分析和仿真研究取得較高的理論成果，又要在實(shí)物模型上對(duì)成果進(jìn)行驗(yàn)證。該系統(tǒng)的核心控制芯片是單片機(jī)，可以通過(guò)激光測(cè)距傳感器檢測(cè)汽車周圍、前方和障礙物之間的距離。信息采集后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理、反應(yīng)，以提醒司機(jī)注意情況。該系統(tǒng)既可以測(cè)量車距，也可以感應(yīng)車速。如果速度達(dá)到限速標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)提醒司機(jī)及時(shí)減速[4]。此外，該系統(tǒng)可以將車速信息和車距信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏上，便于司機(jī)隨時(shí)觀察、了解，及時(shí)做出各種反應(yīng)。同時(shí)，在該系統(tǒng)上還安裝有溫度傳感器，可以通過(guò)顯示器顯示車內(nèi)溫度，超閾值后會(huì)通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置及時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

4 車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)針對(duì)系統(tǒng)通信受限、傳感器/執(zhí)行器故障及通信能量有限問(wèn)題，提出利用模擬實(shí)際交通系統(tǒng)的沙盤(pán)與實(shí)驗(yàn)小車組成仿真平臺(tái)，可對(duì)項(xiàng)目提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，解決數(shù)據(jù)延時(shí)、驅(qū)動(dòng)通信機(jī)制不同引起的多事件驅(qū)動(dòng)等問(wèn)題。它是系統(tǒng)的重要組成部分，在我國(guó)應(yīng)用范圍廣，數(shù)據(jù)信息保密性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸可靠、及時(shí)。應(yīng)用在車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以有效滿足汽車業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。將單片機(jī)和GSM進(jìn)行聯(lián)合，可以設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)化程度高、控制效果好以及安全性能高的車輛協(xié)作控制系統(tǒng)，從而有效發(fā)揮汽車防盜報(bào)警功能。它的核心是手機(jī)通信模塊，通過(guò)短信消息提醒司機(jī)。操作者一般可以通過(guò)打開(kāi)手機(jī)中的程序和軟件自動(dòng)控制油路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)車門(mén)、監(jiān)測(cè)汽車的安全情況和運(yùn)行狀態(tài)等[5]。此外，該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)車門(mén)狀態(tài)和汽車點(diǎn)火開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的打開(kāi)情況。如果被非法打開(kāi)，防盜報(bào)警系統(tǒng)會(huì)通過(guò)手機(jī)通信模塊向司機(jī)發(fā)送信息。司機(jī)接收到相關(guān)信息后，可以通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)完成報(bào)警。通過(guò)以上遠(yuǎn)程控制，可以將手機(jī)通信模塊和系統(tǒng)進(jìn)行有效連接，確保手機(jī)信息數(shù)據(jù)被格式處理，及時(shí)傳送到單片機(jī)控制系統(tǒng)，最終程序會(huì)根據(jù)手機(jī)信息自動(dòng)判斷。此時(shí)系統(tǒng)中的相應(yīng)板塊會(huì)自動(dòng)反應(yīng)，發(fā)揮其自動(dòng)預(yù)警的功能[6]。

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要發(fā)揮提醒駕駛員危險(xiǎn)距離的功能。因?yàn)榧す鉁y(cè)距傳感器精度要求高，需要采用相位激光測(cè)距模塊，以滿足高精度、高效率測(cè)量需求。該模塊采用的是國(guó)家規(guī)范信號(hào)，工作電壓為5 V，內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射激光和反射激光兩個(gè)鏡頭，可以精準(zhǔn)測(cè)量車輛之間的距離。對(duì)于傳感器而言，它可以測(cè)量車速。該傳感器內(nèi)部安裝有磁鐵，當(dāng)磁鐵經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)可以輸出一個(gè)高電平，可通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)車輛單位時(shí)間內(nèi)輸出電平的總數(shù)量精準(zhǔn)計(jì)算車速，因此需要選擇特定型號(hào)的傳感器[7]。此外，溫度傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量車內(nèi)溫度。如果溫度高于限度，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)和液晶顯示器連接，通過(guò)液晶顯示屏可以有效反饋速度、距離以及溫度等信息。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)中模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將系統(tǒng)硬件電路和實(shí)物進(jìn)行連接[8]。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，關(guān)于報(bào)警器限流電阻的阻值R（直流電路中）和磁鐵電磁吸力F的表達(dá)式為

式中：E為電源電壓值；UF和IF分別為發(fā)光二極管正向壓降和一般工作電流；S為磁極面積；Φ為磁通；u0為真空中的磁導(dǎo)率。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件采用的是程序編譯控制。程序是系統(tǒng)的核心控制環(huán)節(jié)，選用C語(yǔ)言程序，具備編寫(xiě)功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作。設(shè)計(jì)者在編寫(xiě)程序時(shí)需要使用專門(mén)的編譯軟件，如Keil。編寫(xiě)后可以根據(jù)程序提示信息將警告信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)芯片中。系統(tǒng)主要的程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程

7 系統(tǒng)調(diào)試

通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量車輛運(yùn)行期間的相關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其測(cè)速模塊和測(cè)距模塊可以穩(wěn)定運(yùn)行，有效實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員可以直接在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加溫度測(cè)量和實(shí)時(shí)報(bào)警模塊，通過(guò)設(shè)置閾值，當(dāng)車輛速度、車距以及溫度等超出閾值后，系統(tǒng)內(nèi)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，此時(shí)提示燈會(huì)亮起來(lái)[9]。調(diào)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛速度和距離沒(méi)有超出閾值時(shí)，警報(bào)不會(huì)響應(yīng)，指示燈不亮。當(dāng)超出閾值時(shí)，警報(bào)會(huì)響起，指示燈亮起。此時(shí)，實(shí)際測(cè)量與預(yù)估數(shù)值之間存在一定誤差，需在調(diào)試過(guò)程中不斷改進(jìn)，提高實(shí)際精度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的目的。

8 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)主要以單片機(jī)作為核心控制器，首先通過(guò)霍爾傳感器和超聲波傳感器采集車輛運(yùn)行信息數(shù)據(jù)，其次通過(guò)單片機(jī)處理、計(jì)算有效了解車輛和周圍障礙物的危險(xiǎn)距離，最后通過(guò)液晶顯示屏有效反映車輛狀況，便于司機(jī)做出反應(yīng)。車輛安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)具備一定的理論和技術(shù)創(chuàng)新，包含預(yù)警、提示功能，可以幫助司機(jī)及時(shí)進(jìn)行速度調(diào)整，確保車輛的行使安全。