5-论文-汽车防碰撞预警执行系统的设计.pdf

毕业设计报告 论文 报告 论文 题目 汽车防碰撞预警执行系统 的设计 作者所在系部 机电工程学院 作者所在专业 车辆工程专业 作者所在班级 B13141 作 者 姓 名 郝鹏飞 作 者 学 号 201322370 指导教师姓名 许文娟 完 成 时 间 20170516 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 摘要 为减少汽车的交通事故特别是最易发生的追尾事故 设计出一种基于超声波测距 以 单片机为 CPU 的汽车防碰撞预警执行系统 本系统包括传感器测距发散接受装置 CPU 中央处理装置 执行制动装置 通过传感器的实时数据传送 CPU 作出相应的预警或制动 本产品设计理念 简单 方便 易通用化 关键词关键词汽车碰撞防撞预警超声波微处理器行车安全 北华航天工业学院毕业论文 Abstract To reduce car traffic accidents especially the most frequent rear end accident an anti collision early warning execution system based on ultrasonic ranging and single chip CPU is designed The system includes sensor ranging divergence receiving device CPU central processing unit The implementation of the brake device through the sensor s real time data transfer CPU to make the appropriate warning or braking The product design concept simple convenient beautiful easy to use Key works Car crashAnti collision warningUltrasonicmicroprocessor Driving safety 北华航天工业学院毕业论文 目录 摘要 Abstract 目录 第一章绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 汽车防碰撞预警执行系统的发展趋势 2 第二章 超声波测距原理 3 2 1 超声波介绍 3 2 2 超声波的测距原理 3 2 3 超声波传感器 4 2 3 1 超声波传感器结构 4 2 3 2 超声波传感器参数选择 6 第三章 系统硬件设计 7 3 1 总系统 7 3 2 系统各模块电路设计 8 3 2 1 超声波模块设计 8 3 2 2 传感器阵列方式 10 3 2 3 声响报警装置设计 10 3 2 4 单片机控制模块 11 3 2 5 紧急制动模块 13 第四章系统软件设计 18 4 1 超声波测距程序设计 18 4 2 控制程序设计 19 致谢 20 参考文献 21 北华航天工业学院毕业论文 附录一 22 附录二 31 附录三 32 北华航天工业学院毕业论文 1 第一章绪论 1 1 课题背景 中国产业信息网指出 我国在 2005 2014 年汽车销量的年复合增长率为 17 5 2014 年汽车产量占全球产量的 26 43 目前我国已成为世界第三大汽 车消费国 到 2016 年我国的私家车拥有量突破 1 2 亿 日益增加的汽车基数所 带来的交通安全也不容小视 尤其在上下班的高峰期中 由于车辆增多导致的长 时间堵车容易让人麻痹大意追尾的风险也会随之增加 降低汽车的碰撞率 有效 的保护驾驶人及行人的生命安全和财产安全是研究防碰撞执行系统的根本目的 本系统可以更好的辅助驾驶员行驶 在遇到障碍物 其他车辆 行人 树木 以 及路边设施等 的同时可以及时的作出警报和采取相应的措施 减少由事故带来 的损失和伤害 据以往研究人员统计不同危险工况下驾驶员制动反应时间平均分 布在 1 02 1 36s 之间 可见如果可以提前几秒对驾驶员进行危险预警 驾驶员可 以提早终止加速 就会大大降低事故的发生 1 近几年关于汽车防撞系统的研究已有了很多的方法 市面上已有的防碰撞系 统主要有超声波防碰撞和倒车可视雷达等 对于已有的防碰撞系统其可行性众所 周知但对于不同工况车速来说显得就很力不从心了 比如防碰撞系统对于高速道 路上行驶时过快的车速起不到太大的作用 以及对于在夜间行驶的驾驶员来说可 视倒车雷达作用也不是很大 设计一个更为人性化的防碰撞系统变显得尤为重 要 提高汽车智能水平对于将来的汽车驾驶方式起到很大的促进作用 1 2 国内外研究现状 汽车防撞预警系统主要分为红外防撞 激光防撞 超声波和可视倒车雷达防 撞四种系统 全球每年基本都要对新型汽车进行碰撞试验 European New Car Assessment Programme 欧洲新车安全评鉴协会 还有就是 Institute of Integral Handwriting Studies 美国高速公路安全保险协会 公布的数据是期中比较有公信 力两家汽车碰撞试验 这些数据显示了在汽车运行过程中危险因素对于生命的安 全 由此可见防碰撞系统还是十分有应用的理由 目前很多汽车厂商将防碰撞系 统采用到汽车上 日本的 Smartway 智能公路方案提出 通过 DSRCH 和先进的 汽车导航系统来辅佐驾驶员安全驾驶 同时在车辆上采用诸如车道行驶道路稳 定 实时转播前方天气状况 车距保持等车辆主动安全技术 Smartway 计划在 2015 年将在日本全国范围内应用 美国的 In VehicleInfotainment 打算联合其它汽 车厂商发展自身碰撞预警系统和相应的试验室 欧洲代理基金对于防碰撞技术的 研究也持赞同的意见 12 北华航天工业学院毕业论文 2 根据美国安全部称 在美国平均每年因汽车追尾导致受伤人数高达五十万 人 期中死亡的人数达到一千七百人 当汽车装备防碰撞预警系统后 可以减少 百分之八十以上的人员伤亡 为减少追尾事故及人员伤亡 提议各大汽车制造商 为所有乘用车和商用车安装防碰撞预警系统 汽车在 21 世纪的概念将是一个根本性的变化 汽车将由原先的以机械为主 的机电一体产物向更多的电子设备转换 中国汽车工业将面临巨大的发展机遇和 挑战 我国汽车保有量已达到 1 2 亿辆 道路车辆的行驶密度大幅增加 交通事 故发生的频率也随之增加 为减少财产损失和人员伤亡 汽车防碰撞系统显得尤 为重要 我国的汽车倒车防碰撞系统已经有了很长时间的研究从一开始的汽车倒 车喇叭提醒到现在的超声波测距 技术上也达到了一定的可靠性 东风公司的 蓝鸟至尊 采用了更为先进的导航防碰撞系统 目前市场上的 倒车雷达品牌主要有跃众 铁将军 豪迪 瑞路 贝奥斯 福莱特 征服者 16 国内外对于汽车防碰撞预警的方法一般为雷达防碰撞和后成像技术 两者各有优 缺点 前者在测距方面比较有优势但一些坑洼地则会检测不到使驾驶员误判产生 很严重的后果比如下大雨后陷入深水区淹没汽车 后者可以很清楚的看到后方的 视野但距离就很难测出 如果在能见度低的环境下汽车行驶时突遇危险状况往往 来不及躲避 造成非常大的损失 同时如果在有一定的车速下 缺少对障碍物的 提前判断 可见对汽车行驶途中遇障碍物减速制动这方面的研究也刻不容缓 1 3 汽车防碰撞预警执行系统的发展趋势 汽车的发展往往会体现了一个国家经济的活力水平 而与汽车相关的配套设 施则更加表现出人们生活质量的好坏 如今我国的经济发展已处于相对稳定状态 人们日益增长的消费需求迫使对于汽车的安全稳定产生了更高的要求 拥有一辆 更加安全美观性能强的车是每一个汽车拥有者的心声 并且随着微机技术 先进 制造业和控制理论迅猛发展 为防碰撞执行的实现提供了物质基础 预警执行将 代替驾驶人自身反应不及时所带来的危害 对该系统的研究需要走理论指导和仿 真 实验相结合的道路 但是现在的防碰撞系统还需进一步的创新突破 执行机 构更加准确的工作 防碰撞预警系统的价格合理性 可靠性 以及更多高性能电 子设备技术应用领域的增加将使汽车防碰撞预警执行系统更有意义 北华航天工业学院毕业论文 3 第二章 超声波测距原理 2 1 超声波介绍 在日常生活中由于物体的振动而产生了声音 声音频率在 20Hz 20000Hz 是 人耳可听到 20000Hz 频率以上范围的声音称为超声波 2 声波在不同介质之间 传递会发生反射 透射和折射现象传递的越远时间越长会使声波的能量越来越 小 并且由于声波是一种纵波所以它可以在除真空以外的其它介质中传播并可以 传播足够远的距离 根据原理的不同超声波可分为检测超声和功率超声 其应用 跨度非常广泛涉及工程 生物 诊断 治疗及其他各个领域 在相同介质中超声 波的传播速度相同 空气中的传播速度随着温度的不同而不同常温下的速度为 340 米每秒超声波也是声波只是振动频率相对较高可以在介质中传播的 2 2 超声波的测距原理 超声波的测距原理为 D CT 2 式中 D 为前方障碍物与测试车辆的距离 C 为空气中超声波传播的速度 T 为超声波从发出到接收时传感器所记录的时间 注意 由于超声波在不同温度下的传播速度是不同的 见表一所以这里带入公式 C 331 0 6X X 为驾驶室外的空气温度 表一 温度 30 20 100102030100 声速 m s 313319325323338344349386 空间里当有多个声源发声时会产生声源交错的现象这是声学领域的常见现 象 理论上当介质不吸收声波的强度时 声波会没有增减的永远传播下去但是实 际情况不同 介质之间会吸收掉声波的能量散射折射都有可能 幅值 相位 频 率和波长为声波的参数 其用数学公式可以表示为 3 P Pasin t 2 1 式中 Pa 为该声波的幅度 角频率 为相位 北华航天工业学院毕业论文 4 一个周期内声波的长度为波长 有 C0 f2 2 式中 f 为频率 C0 声波传播速度 Pa A0e x2 3 2 f 2 T2 4 式中 T 为周期 af22 5 式中 为衰减系数 f 为振动频率 由式 2 4 可看出频率越高衰减系数 越大从而导致 P 越小 选择合适的振动 频率可以提高数据测量的准确性 鉴于已有的超声波测距系统选择 f 40Hz 的超 声波效果较好 2 3 超声波传感器 2 3 1 超声波传感器结构 我们这里用到的超声波传感器要具备发生和可收到超声波的功能 超声波传 感器内部独特的材料使得其具有了将电流转换成声波同时又能将接收到的声压 转换成电流的能力 高频振动的压力就会产生高频电流 其产生的高频电流作用 在压电陶瓷上便会产生强烈的机械振动也就产生了超声波信号 其独特的机械能 与电能相互转换的能力为发生和接收超声波提供了可能 4 超声波产生的方法有机械法比如 Siren Galton 笛 电气法比如压电式 磁 伸缩和电伸缩三种 由于产生的方式不相同优缺点也不尽相同 较为常用的是压 电式超声波发生器它具有质量轻 比较灵敏 工作频带宽 工作稳定 无测量局 限性特点因此其更适用于汽车在多工况下行驶的不同环境中 超声波发生器主要 有以下几种参数 压电材料的弹性常数 刚度决定的弹性常数 材料灵敏度的压 电常数 机械耦合系数 原始电容与介电常数有关 居里点 开始丧失压电特性 时的温度 石英晶体在 573 摄氏度时会完全丧失压电特性 13 压电陶瓷可以由内部的晶粒产生电场 忽略外部的磁场时内部晶粒之间相互 吸收各自产生的磁场达到稳定的状态 当受到外力作用时 打破内在的平衡 受 到外力后产生相应的电荷量 电荷量随外力的减少而减少 q d33F2 6 式中 d33 为材料的电荷量系数 北华航天工业学院毕业论文 5 F 为作用力 压电式超声波传感器构造 双压电晶片 单压电晶片 如果把电压加到压电元件 上会使晶片高频率振动 当压电晶片受到高频率振动时产生电位差 超声波传感器原理图如图 2 1 所示 图 2 1 超声波传感器原理图 超声波传感器的结构如图 2 2 2 3 所示 图 2 2 超声波传感器的结构 北华航天工业学院毕业论文 6 图 2 3 超声波传感器的结构 金属外壳保护内部各个零件不会对传感器正常工作产生影响 锥形共振盘位 于金属板中间 锥形共振盘可以很快频率的振动 超声波振动集中于锥形共振片 的中心接收超声波时 可以产生输送给微型计算机的高频电位差 5 2 3 2 超声波传感器参数选择 1 中心频率 选择灵敏度最高时的中心频率 一般大于 25000Hz 本文选用中心 频率 f 40000Hz 的超声波传感器 2 盲区 对于探头来说就是余震 余震越短越好 一般小于 40000Hz 的探头余震 为 2ms 对应 0 34 米的盲区 3 灵敏度 由材料和制造工艺决定 单位为分贝 数值为负 4 工作温度 要保持传感器在正常温度下可以工作 超声波传感器结构多种多样这里不一一详细介绍 市场上通用的超声波传 感器为分体式和一体式 一体式即发送器和接收器为一体的传感器 分体式言外 之意就是发送器和接收器分开的传感器 6 这里使用由 risym 深圳市科比商贸有限公司 生产的 16MM 防水型超声波 传感器 其收发器为一体结构 其参数如下 频率为 40 0 5KHz 灵敏度为 7 5pa 方向为 45 度 电容 0 3 3 5M 最大输入电压 140vp p 10 工作周期 长时间工作稳定温度 40 80 正常工作温度 35 80 选取金属铝作为外壳材料 考虑到汽车在行驶过程中遇到的障碍物 方向不确定性所以应在前方后方个安置 4 个传感器 左侧右侧根据不同车型的纵 长度安置 2 到 3 个传感器 每个传感器可独立工作遇障碍物警报 北华航天工业学院毕业论文 7 第三章 系统硬件设计 3 1 总系统 整个系统总体分为 超声波测距模块 声响报警装置 控制模块 紧急制动 模块由于汽车行进过程中会遇到很多工况如 怠速 匀速 加速 减速 城市驾 驶 高速驾驶 上下坡等工况所以这些不同运行工况中遇到障碍物的处理情况也 就大不相同 这里由于设备条件有限且制作过程需要耗费相当人力物力 由于城 市内汽车保有量基数大且碰撞事故往往发生在上下班的高峰期以及有红路灯的 十字路口本设计只目前着重针对于怠速和城市内运行工况 在以后的时间里会继 续投入时间精力来完善本设计 系统结构框图如 3 1 所示 图 3 1 系统结构框图 对于防碰撞系统预警执行可分为两个阶段即 第一阶段预警阶段 当超声波 测距模块测得障碍物以到达预警距离时会将信号传递给声响报警装置 该装置随 即产生警报提醒驾驶员前方或者后方即将进入危险区域 同时该信号也会传递给 汽车的 cpu 使 cpu 控制燃油喷射量进而利用发动机来减速 此时燃油喷射系统 会以怠速时的燃油喷射量为准 避免了由驾驶员误踩加速踏板而造成的危险隐 患 第二阶段紧急制动阶段 当超声波测距模块测得危险物以到达危险距离时会 将信号传递给紧急制动模块 紧急制动模块作出相应反应使刹车系统工作 由于 驾驶员紧急制动时会存在判断反应时间 距相关研究表明一般驾驶员反应时间在 1 5 秒以内 有一定驾龄且反应灵敏着为 0 4 到 0 6 秒 7 这段时间看似很短其实 不然举例说明 假如一辆汽车以 40km h 的速度行进 当遇到障碍物时 反应灵 敏者在经过到 4 到 6 米后才会作出紧急制动措施 而绝大多数驾驶员已经开出 16 米之外 期中还有因过于惊吓而作出误踩油门的可能 对于许多的突然时间 可能就会猝不及防了 可见将反应时间做到最小可以对结果产生另一面的变化将 危险系数做到最小的程度是安全驾驶的重中之重 由于电信号处理的速度是人的 北华航天工业学院毕业论文 8 几十倍所以将反应时间交给制动系统制动距离的缩短也就显得相当乐观了 这对 于减少追尾的交通事故前景广阔 3 2 系统各模块电路设计 3 2 1 超声波模块设计 超声波发射 传感器硬件发射电路如图 3 2 所示 图 3 2 传感器硬件发射电路 工作原理 硬件发生装置原理比较简单即为三极管的开关控制超声波发生器的开关 此 电路成本较低且易于调节 可以和不同的换能器连接使用 但其触发脉冲电路设 计和发射脉冲电路设计较为复杂 超声波软件发生电路如图 3 3 所示 图 3 3 超声波软件发生电路 工作原理 软件编程使单片机端口发出的超声波脉冲信号 加到变压器的初级 虽然应 北华航天工业学院毕业论文 9 用到软件编程但减少了硬件设计上的复杂 故本设计采用软件发射法 超声波接收 接收到的信号由于存在干扰需要进行滤波去除杂乱信号 同时需要放大电路 将信号放大到单片机可以处理的信号 对于放大电路一个三极管即可完成 设计 的时候考虑到保护电路需要给电路串联一个电阻保护三极管的正常工作其设计 电路如图 3 4 所示 图 3 4 放大电路 当距离较远时回波信号经过放大才能使接收器对信号很好的识别 但同时也 会存在干扰信号这就需要滤波器来出去干扰信号以防止对超声波接收器对于回 波信号的误识别 滤波有低通 高通 带阻 带通滤波方式 8 由于需要滤波的 为低于 40kHz 的低频噪声和高于 40kHz 的高频噪声 可选用 NE5532 运算放大 器 改进后接收信号如图 3 5 所示 图 3 5 带滤波的放大电路 北华航天工业学院毕业论文 10 3 2 2 传感器阵列方式 当安装在车身的超声波传感器同时以相同的周期触发时 接收到的信号之间 会产生很大的干扰 严重的将会导致系统对于前方障碍物的误判使系统的准确性 大打折扣 同时由于存在时域信号盲区信号实时更新较慢 且发射超声波时传感 器的工作电流往往是平时 10 倍 导致电路的波动较频繁 为此本设计采用单个 传感器触发方式即触发第一个发射器后过一段时间在触发下一个发射器如图 3 7 所示 图 3 7 传感器触发方式 T 的大小由超声波发生器轴线夹角决定 它随着发生器轴线的减小而增大 但 夹角过大时 盲区也会增大 经试验当T 大于 24ms 时 不在产生交错现象 所以T 25ms T 100ms 3 2 3 声响报警装置设计 此设计模块在行进过程中或倒车状态时 实时监测车辆前后方是否有障碍 物 当达到预警距离时蜂鸣器发出响声预警 该控制电路可直接由单片机控制 电路图如图 3 8 所示 北华航天工业学院毕业论文 11 图 3 8 响声预警装置 D1 为 LED 灯当预警时灯亮可提醒驾驶员注意危险 3 2 4 单片机控制模块 利用单片机计算传感器实时传送的信号 当所测距离到达报警距离时 单片 机控制紧急制动模块 由紧急制动模块控制燃油喷射系统和刹车系统 单片机选用最常见的 51 单片机就可 本设计采用 STC89C52 单片机由 STC Science sbit TX P2 3 sbit RX P2 4 const unsigned char on 0 off 1 define LCD BUS P0 sbit RS P2 5 sbit RW P2 6 sbit EN P2 7 sbit SetKey P2 2 sbit UpKey P2 1 sbit DnKey P2 0 sbit BEEP P3 7 sbit a P1 4 sbit b P1 5 sbit c P1 6 sbit d P1 7 sbit a1 P1 0 sbit b1 P1 1 sbit c1 P1 2 sbit d1 P1 3 unsigned char Count 0 unsigned int time 0 bit flag 0 unsigned int Dis 0 bDis 1 unsigned charAlarmDis 50 Set 0 void KeyFun void 北华航天工业学院毕业论文 23 单片机 I O 口初始化程序设计 void MCU Initial void unsigned char i 0 P1 0X0f P2 0 xff P3 0 x05 TX 0 RX 1 延时子程序为 延时 指定 ms void delayms uintms uchar i while ms for i 0 i 400 flag 1 超出范围显示 flag 0 超出标志清零 北华航天工业学院毕业论文 24 BEEP 0 else 正常范围内 正常显示 i1 Dis 1000 100 计算距离的百位数据 i3 Dis 1000 100 10 计算距离的十位数据 i4 Dis 10 计算距离的个位数据 writeChar 4 1 i1 0 writeChar 5 1 writeChar 6 1 i3 0 writeChar 7 1 i4 0 显示百十个位数据 LCD 发生控制指令 void command uint com LCD 写指令 RS 0 LCD BUS com 装载指令 delayms 5 延时 5ms EN 1 LCD 使能 delayms 5 延时 5ms EN 0 LCD 不使能 void write dat uchar dat LCD 写数据 RS 1 LCD BUS dat 装载数据 delayms 5 延时 5ms EN 1 LCD 使能 delayms 5 EN 0 LCD 不使能 北华航天工业学院毕业论文 25 void writestring uchar x uchar y uchar s LCD 显示字符串 if y 0 command 0 x80 x 表示第一行 elsecommand 0 xC0 x 表示第二行 while s 判断是否字符串的结尾 write dat s 显示当前字符 s 字符串地址加 1 void writeChar uchar x uchar y uchar s LCD 显示单个字符 if y 0 command 0 x80 x 表示第一行 elsecommand 0 xC0 x 表示第二行 write dat s 显示当前字符 void LCD Initial LCD 初始化 EN 0 LCD 不使能 RW 0 RW 为 0 command 0 x38 发送初始化指令 command 0 x0c command 0 x06 command 0 x01 command 0 x80 0 x02 发送 LCD 初始位置 北华航天工业学院毕业论文 26 定时器 0 中断子函数 计算距离溢出处理 void Timer0 interrupt 1 T0 溢出中断 超过测距范围 flag 1 中断溢出标志 定时器 1 中断子函数 用来产生蜂鸣器报警声 void Timer1 interrupt 3 T1 中断用来计数器溢出 Buzzer Buzzer 蜂鸣器响 voidStartModule void 启动模块 TX 1 nop nop nop nop nop 空操作指令 nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop TX 0 void idle char z 怠速控制步进电机 while z 通过改变 z 的取值 控制步进电机旋转一定角度 a1 1 delay 10 延时 10ms a1 0 b1 1 delay 10 b1 0 北华航天工业学院毕业论文 27 c1 1 delay 10 c1 0 d1 1 delay 10 d1 0 void Max char t 制动控制步进电机 while t 通过改变 t 的取值 控制步进电机旋转一定角度 a 1 delay 10 a 0 b 1 delay 10 b 0 c 1 delay 10 c 0 d 1 delay 10 d 0 获得距离参数 void GetDis void StartModule 启动模块 while rxd if P2 当 rxd 为零时等待 同时判断按键 if P2 开启计数 北华航天工业学院毕业论文 28 while rxd if P2 当 rxd 为 1 计数并等待 同时判断 按键 if P2 关闭计数 Conut 计算距离 if Dis AlarmDis idle 8 TR1 1 距离小于设定距离 启动报警 else TR1 0 Buzzer 0 idle 0 距离大于设定距离 关闭报警 delayms 80 延时 80ms if Dis AlarmDis 20 Max 8 else Max 0 else 按键按下 重新测距 TR0 0 关闭计数 TH0 0 清除定时器 0 TL0 0 设置报警距离 void SetFun void unsigned char i1 0 i2 0 i3 0 i4 0 i5 0 i6 0 if SetKey 0 delayms 20 延时 if SetKey 0 Set 按键按下 if Set break while SetKey 0 if UpKey 0 if UpKey 0 if AlarmDis0 AlarmDis i1 AlarmDis 100 获得百位 i2 AlarmDis 100 10 获得十位 i3 AlarmDis 10 获得个位 北华航天工业学院毕业论文 30 writeChar 12 1 i1 0 writeChar 13 1 writeChar 14 1 i2 0 writeChar 15 1 i3 0 while DnKey 0 main 函数 void main void unsigned char i 0 MCU Initial 单片机端口初始化 TMOD 0 x11 定时器 1 设置为方式 1 TH0 0 TL0 0 定时器 0 初始化装载 0 ET0 1 允许 T0 中断 TH1 0 TL1 0 定时器 1 初始化装载 0 ET1 1 允许 T1 中断 EA 1