基于单片机的汽车防撞报警系统设计.pdf
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1、摘要摘要汽车业和电子业是工业界的两大巨头,伴随着汽车和电子工业不断地发展与 进步,在现代化的汽车上,越来越广泛地应用了电子技术,汽车的电子化程度愈 来愈高。现在的交通运输业向着高密度的方向发展,电子方面的控制技术也进一 步地应用在了汽车的行车安全性与导航方面。随着社会的不断发展与进步,家庭汽车的数量越来越多,交通事故也与日俱 增,交通安全愈来愈引起人们的重视,汽车防撞报警系统也应运而生。本文以AT89s51单片机为核心,设计汽车的防撞报警系统,且借助于DSP 技术,实现了低成本、高精度测距测速功能的FMCW(调频连续波)防撞雷达设计 方案,同时还利用电磁铁同性磁极排斥的原理主动减速,达到防撞的
2、效果。该防 撞报警系统以毫米波雷达为目标探测方式,提出了一款多功能汽车防撞报警系 统。该系统适应性强,有广阔的应用空间,当然还有待于进一步开发。关键词:AT89s51单片机,DSP,电磁铁,毫米波雷达AbstractABSTRACTAutomotive industry and the electronics industry is the industry*s two giants,along with the automotive and electronics industries continue to develop and progress in the modem car,mor
3、e and more widely used in the electronics,automotive electronics higher and higher degree of.Now transport direction is toward high-density development,electronics control technology is further used in the car driving safety and navigation.With the continuous development and progress of society,more
4、 and more family vehicle,traffic accidents also grow with each passing day,traffic safety is paid more and more attention,the automobile anti-collision alarm system also emerge as the times require.This paper takes AT89S51 microcontroller as the core,anti-collision alarm system design of automobile,
5、and with the help of DSP technology,to realize the low cost,high precision ranging measurement function of the FMCW(frequency modulated continuous wave)radar design,but also the principle of electromagnet magnetic poles repel the deceleration,achieve the collision effect.The collision warning system
6、 in millimeter wave radar for target detection,while expanding the tracking and recognition to the target,the track-while-scan radar target detection theory,put forward collision warning system is a multifunctional automobile.The system has strong adaptability,broad application space,of course,also
7、need to be further developed.Key words:AT89S5Imicrocontroller,DSP,electromagnet,millimeter wave radii目录目录1引言.11.1课题的提出及意义.1L 2课题研究现状.1L 3课题研究内容和预期目标.22.1 设计方案的选择.42.2 设计方案的总体结构.52.3 汽车防撞报警系统的工作原理.113汽车防撞报警系统的硬件设计.133.1 单片机的选型.143.2 DSP芯片的选择.153.3发射前端电路.153.4中频放大电路.153.5 A/D转换电路.163.6 LED显示电路.163.7声光
8、报警电路.173.8电磁铁减速单元模块电路.183.9电源电路设计.194汽车防撞报警系统的软件设计.214.1主程序.214.2控制程序流程设计.235结论.265.1硬件调试.265.2软件调试.265.3仿真实验.275.4测试结果.29hi目录5.5设计存在的不足.295.6总体结论.29附录.311.汽车防撞报警系统硬件整体电路图.312.汽车防撞报警系统软件程序.32参考文献.39致谢.40IV泰山学院本科毕业设计1引言1.1 课题的提出及意义随着人们生活水平的不断提高,我国汽车的保有量逐年增加,各类交通事故 频频发生,其中汽车碰撞事故占大部分,因此汽车防撞报警是亟待解决的问题。欧
9、洲科学家专门做过一项研究:驾驶员只要在碰撞危险发生前的0.5秒内得到预 警,就至少可以避免60%的追尾事故,30%的迎面碰撞事故和50%的路面相关事故。如果有一秒钟的“预警”时间将会避免90%的交通事故山。若在恶劣天气条件下,能见度低,视距小,汽车高速行驶时很难发现前方的障碍物并及时制动。从经 济方面,我国的桥梁、高速公路等的运行受天气的影响较大,为保障汽车运行安 全,遇到恶劣天气时就以限制车速或关闭道路来达到安全的目的,这样将影响道 路的通过能力,除了造成巨大的经济损失外,使本来拥挤的道路更加阻塞。在过去的二三十年里,人们主要把精力集中在汽车被动安全性方面的研 究。例如:在汽车前部或后部安装
10、保险杠、在汽车外壳周围安装某种弹性材料、在车内相关部位安装安全带及安全气囊巴 以减轻汽车碰撞带来的伤害。所有这 些安全措施都不能从根本上解决汽车发生碰撞时造成的问题。汽车碰撞的主要原 因是由于汽车距障碍物的距离太近而相对速度太高造成的。因此,大力研发汽车 防撞报警装置等主动式汽车安全装置,减少驾驶员的负担与判断错误,对于提高 交通安全起到重要的作用。显然,此类产品的研发具有极大的现实意义和广阔的 成用前景。近年来汽车的自动调速、防撞、监测、自诊断、导航系统得到了广 泛的应用。1.2 课题研究现状交通事故具有不可预知性,为减少其发生数,优化日常的交通秩序,如何更 好地利用已有的计算机与信息技术,
11、提升道路的交通安全与效率成为了国内外的 研究热点。人们普遍认为80年代后开展的智能化交通的系统研究是解决各类交 通安全问题的有效途径。智能化交通系统把信息技术、电子的控制系统、通 1泰山学院本科毕业设计讯数据的传输系统和计算机的处理系统更加合理地应用在运输管理的体系里d 使得人、车、路与环境协调的统一,建立起了一个准确、实时、高效的综合运输 的管理系统网。视觉系统对智能化车辆起到了环境探测与辨识作用。同其他的 传感器比较,机器视觉的信息检测量大,以当前条件来解决问题,会导致系统的 实时性较差1。通过计算车辆和目标之间的相对距离,并利用自适应的滤波对 检测的数据进行相应处理,减少了环境所造成的检
12、测误差11。汽车防撞报警系统对提高汽车行驶安全十分重要。从1971年始,在国内外 相继出现了超声波、雷达、激光、机器视觉、红外以及交互式智能化等防撞报警 系统的研究或者产品。近几十年,美、日、西欧各国的汽车制造企业投入了巨资,相继成功地研究出了单脉冲雷达系统与调制连续波雷达系统。以上两种体制下的 雷达防撞报警系统已应用在了国外的某些汽车企业的高档汽车中,但因为其成本 较高而并未得到更加广泛的运用口”近些年来,价格低廉且高性能的DSP芯片 已经出现,其推动汽车防撞报警雷达技术的研究与发展更上一步,使得汽车防撞 报警雷达系统可以在普通的汽车中得到应用与普及。由于受到经济技术水平等因素的影响,我国在
13、汽车防撞报警技术上的研究起 步较晚。因此,相对于国外防撞报警系统的研究水平,我国的车用防撞报警系统 的研制水平仍然较低。但在这方面的研究已经得到业界的高度重视。同时,随着汽车制造产业竞争的日趋激烈,客户对汽车各项技术的要求愈来 愈高,愈来愈多样化。同等价位的汽车若拥有的功能越强大,就越能占领市场,引领汽车产业的发展趋势。传统的汽车防撞报警系统由于仅具有单一的防撞报警 功能,而不能满足市场的需求,因此需要拓展其它功能,如对目标的跟踪和识别 功能等,一旦加入这些功能,势必会增加研发成本,不利于参与市场竞争。发展 汽车的防撞报警技术,对于提高汽车的智能化有着重要的意义口吗L3课题研究内容和预期目标本
14、文志在研究一种新型多功能的汽车防撞报警系统。它具有传统防撞报警系 统的预警功能,又有新的功用。目前,国内外运用到汽车上的防撞报警系统主要 2泰山学院本科毕业设计是“以车辆为中心”,研究大部分都集中于环境信息感知、安全距离判定和报警 方式等方面。本文将设计了一款多功能新型汽车防撞系统,使系统在未增加太多 成本的基础上,改善传统防撞报警系统功能过于单一的缺点,使汽车防撞报警系 统多功能化,有利于汽车产业的发展。已有的防撞报警系统主要是根据测定结果,通过语音来提醒驾驶员人为地减速达到了安全行驶的目的;但高速行驶中的汽车 具有很大的惯性,刹车距离会较长,完全依靠驾驶员的人为减速,特别是当司机 疲劳或无
15、法集中自己的注意力时,很难达到较好的安全行驶效果。因此,本文添 加了自动的辅助减速防撞装置,使汽车能自主提前减速,以达到安全驾驶目的。此设计以AT89s51单片机为主控单元,用毫米波雷达测距,当汽车与其他汽车或 障碍物的距离小于设定的安全距离时,就启动语音报警装置,提示司机减速,同 时启动电磁铁减速装置。此装置成本低,设计简单,能够起到辅助减速的目的。3泰山学院本科毕业设计2汽车防撞报警系统的总体设计2.1 设计方案的选择目前汽车防撞报警系统的目标探测方式主要包括激光、超声波、红外等,不 同目标探测方式的工作过程和工作原理不同,但它们的主要目都是通过返回的探 测信息判断车辆和本车间的相对距离,
16、根据两车车距的危险性程度做出预防措 施。下面对不同的探测方式进行介绍和比较。L激光探测方式激光具有单色性高,方向性和相干性好等优点,因此激光波束具有近似直线 性,扩散少,波速能量集中,传输的距离远等特点。汽车防撞报警系统采用激光 探测技术的工作原理:首先本车装备激光雷达,其发射的激光波束照射到前车反 光镜,然后测定反射回来的激光波束的到达时间,依据激光波束从发射到返回的 时间差来判定两车的距离。激光测距的精度高,技术上已有了很大的进步。但在汽车防撞领域,其应用 具有局限性,因为激光测距方式受到天气状况、车辆的震动及反光镜表面磨损、污染等因素的影响较大,测距精度很难保证。所以在汽车防撞领域该测距
17、方式没 得到应用。2.超声波探测方式超声波是一种特殊的声波,具有反射、折射等声波传输过程中的基本的物理 特性,而超声波测距就是利用了其反射的物理特性,其工作原理与声纳的回声定 位原理相似。产生超声波的发射器不断地发射出某频率下的超声波,当遇到了被 检测的物体后被反射,而超声波的接收器会接收到反射来的信号,并将其转变成 电信号,再测量出发射波与反射波之间的时间差值,根据声速就可求出距离。而 超声波测距存在一个大问题即探测的距离较短,而且会受到天气状态的影响,S 此超声波测距在像倒车雷达的近距离的测距等方面应用较广。4泰山学院本科毕业设计3.红外线探测方式红外线测距的工作原理与激光、超声波测距的相
18、似,都是依据发射波与反射 时间判定目标物的距离,而红外线的测距方式在技术从面上的难度并不大,构成 测距系统的成本低廉,但在恶劣气候和长距离的探测方面还是不能满足车辆防撞 报警的目的。4.毫米波探测方式毫米波即波长在:TlOmm内的电磁波。运用了毫米波的雷达测距方式,其 原理和以上的各种测距方法相似,但却能克服其他几种的探测方式的不足。对于毫米波雷达而言,其主要的特征是:1)探测性能比较稳定。毫米波雷达不受被测体的表面形状和颜色等影响;对于大气的气涡、紊流等现象具有良好的适应性。2)对于环境的适应性强。毫米波具有较强的穿透能力,它的测距精度受到 雾、雨、雪和阳光等的天气因素与噪音、污染等的环境因
19、素的影响比较小,可以 保证汽车在任何的天气情况下都能正常地运行。从上述比较可以发现毫米波的雷 达测距方式比其他的方式具有更高的优越性,它可以适应车辆防撞报警系统的需 求。另一方面,运用毫米波的雷达测距方式,不仅可以测量出目标距离,而且还 可以测量出目标体的各种参数,如相对速度和方位角等,这使汽车能够在恶劣的 气候条件里达到盲行的目的。另外,在测量条件相同的情况下,若使用毫米波雷 达,就会具有结构比较简单、分辨率高和天线部件尺寸小的优点。因此本文选择毫米波雷达为测距方式,可以很好的实现防撞报警系统的功 能,同时也可以实现其他功能。2.2设计方案的总体结构本系统利用DSP技术高密度算法的能力口4,
20、其对反射信号可进行快速处理,并准确计算出两车间的相对速度和相对距离,然后将其同传感器实时检测的行车 速度与制动次数传送给AT89s51,实时准确的判断行车安全状态。利用AT89s51 控制信号的优势,并将判断结果通过控制报警信号显示,传达给司机,达到监测 5泰山学院本科毕业设计行车安全的目的。同时,安装在车前和车后的电磁防撞装置也会起到作用,即使 司机没有采取措施,也会自动减速制动。其整体设计框图如图1图1整体框架图汽车防撞报警系统的整体设计分为传感器单元,主控单元,信号发射/接收 单元,回波信号放大、滤波单元,A/D转换单元,DSP模块,报警显示单元,电磁铁减速单元等8大模块。1.传感器单元
21、主要包括车速传感器、制动开关与节气门位置传感器等。车速传感器选用了 霍尔传感器来测量速度;制动开关与节气门位置传感器用来测量司机每10s内的 动作次数,测定节气门曲线信息,确定司机的驾驶特征,提高了系统的准确 性和实时性。2.主控单元其功能主要是记录并分析周围车辆或障碍物信息和本车信息,根据系统安全 车距建立的数学模型,并且在获取各种传感器信息基础上,对所有获取的信息进 行计算处理及分析,实时判断车辆行驶时的安全状态,并且把处理的结果发送给6泰山学院本科毕业设计 报警显示模块单元,判断是否发出报警,提醒驾驶员采取相应措施。同时主控单 元也会控制电磁铁减速单元采取辅助减速措施,达到减速制动的目的
22、,保证驾驶 员的行车安全。3.报警显示单元该单元由发光二极管、蜂鸣器和LED液晶显示屏组成,当主控单元通过数据 分析确定存在安全隐患时,就会产生中断信号传输给三极管,并驱动蜂鸣器发出 报警声,提醒驾驶员采取必要的措施,保证行车安全。同时系统显示装置中的发 光二极管闪烁,LED液晶屏显示出相对距离和危险状态。4.信号发射/接收模块单元DSP编码产生三角波电压,其控制压控振荡器(VCO),产生了调频连续波信 号通过天线向外发射。本系统利用毫米波雷达的回波信号测量车辆距离与速度,对于发射信号频率的稳定性与线性度的要求较高,因此采用了集成的微波组件当 作发射/接收模块单元。将何波信号和发射波的信号混频
23、,得到了中频的差拍信 号在输出。5.何波信号的放大、滤波模块单元实际情况下发射/接收单元发射功率小,所以当信号波在空气中传播的时候,会迅速减弱,到达了目标并且反射回来的雷达的何波信号的功率也会较小,因此 需要进行放大才能完成后续任务。回波信号要通过高增益的对数的放大器放大信 号,再通过了隔离、滤波和放大信号后送至数模转换器。6.A/D转换单元我们用到的DSP系统不识别模拟信号,只能对数字信号进行分析和处理。因 此我们需要将模拟信号转换成数字信号,在规定的时间里将模拟信号处于某一时 刻内的幅度值变换成一个相对应的数字的信号数据,最后把该数据送达DSP系统 进行相应处理。7.DSP模块单元7泰山学
24、院本科毕业设计1)DSP系统产生的调制信号会使得压控振荡器进行工作,并产生出调频连 续波向外发射。调制信号为一系列调制三角波。如图2所示:它表示的是理想三 角波,其最大幅度是5V,周期是lOOOus。但该三角波的实际直线性也不是太理 想,我们可以采用平滑技术方法来改善调制波信号的直线性。2)压控振荡器经过调制向外发射一系列的三角波,其回波信号亦是三角波,两者关系如图3所不:图中:T是调制周期,是载波中心频率,K为斜率,T为延迟时间3)确定信号频率与信号的频谱分析。信号频谱分析主要包括FFT法和非FFT 法。FFT法即对分析信号进行傅立叶变换,就是从时域变换到频域,在频域内进 行分析,必要时要经
25、过傅立叶逆变换,变回到时域的分析方法。非FFT变换方法 8泰山学院本科毕业设计就是通过其他某种途径,获得信号频率参数的方法,像最大炳法,各有千秋。经 过综合考虑方法的各种特性,对于毫米波雷达而言,我们应首选FFT法,对DSP 系统来说,FFT法较成熟,容易实现预期目的。4)DSP系统直接控制步进电机来实现天线的扫描工作,从而得到了障碍物相 对于毫米波雷达的方位信息。天线扫描角度不是360度,而是依据给定角度,不 停循环。DSP系统会通过某个方波信号控制扫描方向,方波信号在高电平时从左向右 扫描,低电平时从右向左扫描。而DSP系统通过另一个延迟方波信号确定天线扫 描位置,高电平表示天线在右边区域
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- 基于 单片机 汽车 报警 系统 设计
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