学位论文-—基于arm的防汽车追尾报警系统调研报告.doc

齐 齐 哈 尔 大 学

毕业设计调研报告

题目：基于单片机的防汽车追尾报警系统

学 院：通信与电子信息工程学院
班 级：
姓 名
学 号：
指导教师：
日 期：2012.3.25

基于单片机的防汽车追尾报警系统调研报告

1. 调研的基本情况
调研时间：2013年3月1日—2013年3月26日
调研途径：网上查询相关资料并翻阅有关书籍
调研目的和意义：
目前我国公路总长度已经越居世界第二其带来了巨大的经济利益和社会利益。同时由于一些措施的不到位也为安全带来了很大的消极影响。追尾事故占交通事故总量的20%以上高速公路上发生的追尾事故高达36%以上。追尾是指同车道行驶的车辆尾随而行时后车车头与前车车尾相撞的行为。主要由于跟进间距小于最小安全间距和驾驶员反应迟缓或制动系统性能不良所致。提起追尾事故很多驾驶员都知道在快车道上发生的追尾事故所产生的连锁反应最为强烈因为车速普遍较快所以一旦有两车追尾后面很可能就会牵连一串这也就是人们通常所说的“串车”现象。我们熟知的醉驾引起追尾的主要原因就是司机无法对前方路况做出及时反应。当今为了解决汽车的安全问题政府和汽车厂商采取的更多的是被动的安全措施如减速带安全气囊和汽车的ABS防抱死系统。2007年美国通用汽车公司研制出第一款汽车防追尾系统“V2V”,但由于其功能复杂成本较高且需要大面积安装以实现其信息交换的功能所以尚未普及只有少数高端汽车配备了该系统绝大多数汽车由于该系统成本的昂贵并没有配备该系统。
该汽车防追尾系统主要功能是在检测到辆车间距小于安全距离时及时向司机发出报警使司机有充足的时间做出反应以避免追尾事故的发生当追尾事故将要难以避免时自动控制刹车系统刹车。该系统基于AT89C8051单片机结合超声波测距与红外线测速技术准确计算出两车间距在一块12864液晶屏上显示安全级别LED信号灯及蜂鸣器进行提示车尾加装度高亮度LED灯。部分电路需与刹车系统联动以确保准确输出刹车信号。当大于安全距离时绿灯亮液晶屏显示安全小于安全距离时红灯及车尾高亮度LED灯亮蜂鸣器发出报警。当车距小到追尾事故将要难以避免时控制刹车系统采取刹车措施。
在车前部加装三组压电式超声波发生器和接收器。车轴处装一反光片，用红外线照射车轴。超声波发生器发出超声波遇到前方障碍后反射回来由接收器接收可以得出所用时间t声速已知C。红外线照射到反光片时光线反射到光敏三极管引起高低电平变化由其变化频率可得车速V。汽车行驶的安全距离是其行驶3s所走的路程。由此可以确定其安全距离S。2*S(C-V)=T当t<T时系统报警尾部高亮度LED灯点亮。当小于最小的安全时间时系统自动控制刹车系统进行刹车。

2. 调研报告的内容
2.1红外传输技术的应用
红外传输技术是一种利用红外线作为进行数据传输的技术。在日常生活中，红外传输技术的应用随处可见，最典型的莫过于通过红外遥控器对电视机、空调等家用电器进行控制。随着科技的进步、大众生活水平的不断提高，人们对家居智能化的要求也越来越高，诸如灯光控制、背景音乐、安防报警等应用也逐渐开始向智能化控制的方向发展，而红外传输在其中发挥着重要的作用。
红外线是可见光谱中位于红色光之外的光线，尽管肉眼看不到这种光线。但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号，实施红外线通信。利用红外线通信无需连线，只需将两设备的红外线装置对正即可传输数据。
红外数据传输就是利用红外线作为传输介质．在计算机与外设(或计算机)之间进行数据传输的方法。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75～25um之间。红外数据协会(Infrared Data Association，简称IRDA)成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850～950nm之内。
红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；IRDA已经是一套标准，HG收/发的组件也是标准化产品。
红外传输组成结构主要包括：红外发射器，通信信道，红外接收器三大部分组成。发送端采用方波方式，将二进制数字信号调制成某一频率的方波序列，并驱动红外发射二极管以光方波的形式发送出去；通信通道是利用940 nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体；接收端将收到的光方波转换成电信号。再经过放大、滤波处理后送给解调电路，还原为二进制数字信号后输出。由于光的直线传播，所以应让红外发射二极管（HG）对准红外接收器，保证红外发射二极管（HG）发出的红外光能被接收器接收，红外传输原理结构如图1所示。

2.2 AT89C8051单片机
AT89C8051是美国ATMEL 公司生产的低电压高性CMOS 8位单片机片内含4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128 bytes 的随机存取数据存储器RAM器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产兼容标准MCS-5l指令系统片内臵通用8位央处理器和Flash存储单元功能强大。
主要性能参数

功能特性概述
AT89C2051提供以下标准功能4k字节Flash 闪速存储器128字节内部RAM32个IO口线两个16位定时计数器—个5向量两级断结构一个全双工串行通信口内臵—个精密比较器片内振荡器及时钟电路。同时AT89C8051可降至0HZ 的静态逻辑操作并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作但允许RAM定时计数器串行通信口及断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.3 超声波测距
1. 超声波测距的原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，激光气体介质的传播到接收器的时间，将这个时间与气体中声速相乘所得结果除以二就是两车间距。
2.该测量电路由单片机发出40KHz的方波信号。方波的周期为1/40ms即25微秒，半周期为12.5微秒。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可以产生40KHz方波。由于晶振为12MHz所以单片机只能产生半周期为12微秒或13微秒的方波，频率分别为41.67KHz和38.46KHz。本系统在编程时采用38.46KHz的方波。
3.由于反射回来的信号非常弱所以接收电路需要在其基础上进行放大。放大的信号通过检波电路解调后的信号即把多个脉冲解调成多个大脉冲波。
单片机AT89C8051发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。
限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。
开始测量
超声波信号
开定时器
关定时器
数据运算
显示器
接收检测
电声换能器
电声换能器
驱动电路

图1-3 超声波测距系统框图
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。
单片机使用51系列的AT89C8051单片机，该单片机工作性能稳定。
发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。
接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89C8051。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号并监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
2.4 红外线测速
1.测量汽车速度可以转化为测量汽车轴承的转速，并将其转化为对信号频率的检测。
2.在汽车转轴处加装一反光片，当转轴旋转时如有光照在反光片上就会有光反射到光敏三极管上引起高低电平的变化。低电平的信号经过整形电路和电平转化以后可得一周期为T频率为f的波形。将其接入单片机系统的中断端。
3.通过车轮的直径与车轮转速即可确定车速。
在汽车转轴的表面装一片反光片。当转轴旋转时, 如有光照在反光片上, 就会有光反射到光敏三级管上, A 点为低电平, 反之为高电平。因此, 当物体在不停旋转时, A 点的信号通过整形电路和电平转换以后, 在B 点得到波形, 其中T为信号的周期, f为信号的频率。而C点为B 点经过分频后的信号, 其接入8031单片机系统的中断端。
如果假设转动物体的转速为n, 则T、f 与n 有如下的关系:
f = 1 /T T = 60 /n( s) n = f* 60 = 60 /T
n 的单位为转/m in。从上式可知, n小则T 大, n 大T 小。因此, 通过检测信号的周期T (或频率f ) 就可计算出转速n。这样一来, 测转速的问题就转化为检测信号周期(或频率) 的问题。
本文从一个新的角度来确定N 值。对于一个计数器而言, 它的位数是有限的。假设为P 位。这样, N 个周期能达到的最大值
MN = 2P – 1
如果再假设这时的转速为n, 则有:
tN= ( 2P - 1)* TM
aN= 2*n /( 2P - 1) = 120 /[ ( 2P - 1) 2 /N*TM ]
tN 是一个固定的数。因此, 在确定检测时间tN 满足要求tN = ( 2P - 1)* TM<=tG ( tG 为规定的时间) 的情况下, 只需要考查aN是否满足要求。对一个转速n 而言, 当计数器达到满刻度时, 对应的误差aN是最小的。因此, 为使检测的误差最小, 就可以以计数器是否达到满刻度为标准来确定一个转速n对应的N。这时n 与N 的关系为:
N = [ n*( 2P - 1) * TM ] /60
可见这时侯不同的n 有不同的N 值。为使计数器达到满刻度时的N 值, 具体做法是: 再用一个计数器对被测信号进行计数。当MN = 2P - 1左右时, 取该计数器的值就可得到要求的N值。这样就不要象通常的多倍周期法那样, 预先确定一个N 值。得到了N 值以后, 就可计算出转速n:
n = 60* N / [ ( 2P - 1) *TM ] ( 转/m in)
这样测得的n可以保证是最小的。
测速算法实现
我们将由分频器输出的C 点信号接入8051 单片机的端INT1端。利用定时器1 的定时和INT1的中断功能来确定MN和N, 此时定时器的值MN 均达到216 - 1, 算法实现如下:
1) 定时器1初始化: 允许中断、模式1、TR1= 1和GATA= 1;INT1初始化: 后沿触发和允许中断;
2) 定时器1溢出次数的计数单W = 0, 周期倍数计数单位N = 1;
3) 定时器1: TH 1= 0, TL1= 0;
4) 在INT1的前沿, 定时器1开始定时;
在INT1的后沿, 定时器1停止定时;
5) INT1的后沿中断一次;
6) 定时器1每溢出一次, 产生一次中断, 并且W = W + 1;
7) 在INT1的中断服务程序中, N = N + 1。
然后, 判断W 》=1?如果W < 1, 表明定时器1未达到满刻度, 中断返回, 继续4) ~ 7) 的操作。如果W》=1, 表明定时器1已达到满刻度。同时, 取W 单元、N 单元和TH 1、TL1 的值。设8051的时钟频率为fo sc。则有:
TM = 6 /fo sc
MN = [W* 216 + (TH 1*TL 1) ]
N = N 单元的值
T = (MN *TM ) /N= [ 216* W + (TH 1* TL1) ] 6 /(N* fosc )
f = 1 /T = (N*fo sc ) /6 [ 216* W + (TH 1* TL 1) ] (H Z)
n = 60 /T = ( 60* N*fo sc ) /6 [ 216* W + (TH 1*TL1) ]
(转/m in)计算完后, 将N 单元置1、W 单元和TH1、TL1 清0, 中断返回, 继续4) ~ 7)的操作。
INT1 的中断服务程序
INT1: 进入中断程序后, 首先判断是否是计数功能, 是则对中断次数进行计数, 并将结果转换成BCD码, 送显示缓冲区, 再中断返回。如果不是计数功能, 则有 ( 24H ) + 1, 即N = N + 1。然后按算法计算n, 转换成BCD码后送30H ~ 33H 单元, 还要将24H 单元置1, 23H单元和TH1、TL1清0, 最后中断返回。
2.5 超声波测距系统与红外线测速系统整合
超声波发生器发出超声波遇到前方障碍后反射回来由接收器接收，可以得出所用时间t，声速已知C。红外线照射到反光片时光线反射到光敏三极管引起高低电平变化由其变化频率可得车速V。汽车行驶的安全距离是其行驶3s所走的路程。由此可以确定其安全距离S。2*S(C-V)=T，当t<T时系统报警，尾部高亮度LED灯点亮。当小于最小的安全时间时系统自动控制刹车系统进行刹车。