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李文娟（1979—）
女，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，現(xiàn)任南昌航空工業(yè)學(xué)院教師，專業(yè)方向?yàn)橥ㄓ嵓皽y控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)化程度的高度發(fā)展，交通安全問題已成為各國亟待解決的大課題。解決這個(gè)問題的根本措施在于行進(jìn)中的汽車能自動(dòng)跟蹤測距，在危險(xiǎn)距離內(nèi)自動(dòng)剎車。汽車防撞系統(tǒng)集光、聲、電、機(jī)于一體，不管車輛處于什么樣的駕駛狀態(tài)，在緊急避險(xiǎn)時(shí)都能平穩(wěn)停車。尤其在雨天、雪天、霧天等能見度低的惡劣天氣情況下，性能絲毫不受影響。汽車自動(dòng)防撞系統(tǒng)在處理防止撞車發(fā)生時(shí)，采用全智能化的過程。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本文提出了超聲波應(yīng)用于汽車防撞系統(tǒng)，借助于超聲波的基本特征和傳播特點(diǎn)，根據(jù)超聲波測距原理 s=c*t/2，由發(fā)射超聲波到超聲波探測器收到回波的時(shí)間t，測出離障礙物距離。應(yīng)用透射式光電傳感器，由施密特觸發(fā)器CD4093輸出速度脈沖信號，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，即可測出汽車速度。把距離信號和汽車速度信號輸入到單片機(jī) MCS-51中，應(yīng)用匯編語言對其軟件編程，把距離信號與各個(gè)車速對應(yīng)的安全距離進(jìn)行比較判斷，是否給出報(bào)警及剎車信號。
汽車超聲波防撞系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 各模塊設(shè)計(jì)
2.1 超聲波汽車測距
在超聲波測距硬件電路中，充分利用8051單片機(jī)雙向并行口的輸入和輸出功能，進(jìn)行信號的發(fā)送、接收等控制。
超聲波探測頭選頻頻率為40kHz方波，軟件編程在單片機(jī)的輸入端口上直接產(chǎn)生20個(gè)方波脈沖，再通過變壓器升壓變換，經(jīng)超聲波探測頭發(fā)射出去。
發(fā)射信號遇到障礙物后反射回來，由同一超聲波探測頭接收并送到接收電路。送入單片機(jī)的接受端。當(dāng)接收電路有信號時(shí)端口為低電平。檢測其管腳狀態(tài)，就可以得到超聲波探測頭接收到第一個(gè)信號的時(shí)刻，s=c*t/2，從而計(jì)算出從發(fā)送信號到接收到第一個(gè)反射信號的時(shí)間t，計(jì)算出障礙物與汽車的距離S。流程如圖2所示。
2.2 光電傳感器測速
采用透射式光電傳感器測車速。每當(dāng)圓盤上的長方孔與光電開關(guān)上的透光孔重合，則光敏三極管受到光而通過電流，使施密特觸發(fā)器CD4093輸出高電平，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)至透光孔被遮時(shí)，CD4093輸出低電平。隨著圓盤不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，CD4093便輸出脈沖序列。測出輸出脈沖個(gè)數(shù)，結(jié)合圓盤每一周的孔數(shù)，使可算出旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角。圓盤由汽車的車輪轉(zhuǎn)輪驅(qū)動(dòng)，算出圓盤的轉(zhuǎn)速就可間接地計(jì)算出汽車的轉(zhuǎn)速，得知汽車的行駛速度。
由于光敏三極管接收的峰值波長為880~900nm的近紅外光，而陽光的波長在280nm以上，故易對光電傳感器形成干擾，在應(yīng)用時(shí)避免陽光照到光敏三極管上。故在本次設(shè)計(jì)中，通過轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)裝于車底，采取封閉裝置，這樣也使在汽車行走時(shí)不受灰塵影響，增長使用壽命。圓盤每圈孔數(shù)為8個(gè)，設(shè)汽車車輪半徑40cm，則每個(gè)脈沖對應(yīng)的行使距離約為32cm，通過一個(gè)JK觸發(fā)器，在CR端接一個(gè)1Hz的脈沖信號，CD4093輸出的脈沖信號接jk觸發(fā)器的CLK引腳，通過在單片機(jī)里計(jì)數(shù)，可以得出每隔1秒的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，就可以算出每秒的汽車行駛速度。
2.3 單片機(jī)處理與控制
單片機(jī)處理：8051主要完成程序的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的處理和對外部電路的實(shí)時(shí)控制。內(nèi)部定時(shí)器T0工作在定時(shí)方式，T0在超聲波發(fā)射時(shí)開始計(jì)數(shù)，在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)P1.4引腳收到回波后，停止計(jì)數(shù)，T0所計(jì)時(shí)間即為超聲波往返傳輸時(shí)間，單片機(jī)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可測出距離。內(nèi)部定時(shí)器T1工作在計(jì)數(shù)方式，由引腳輸入的脈沖信號控制T1計(jì)數(shù)，由T1所計(jì)數(shù)值確定汽車的轉(zhuǎn)速。單片機(jī)根據(jù)所測距離和車速進(jìn)行比較，給予輸出。軟件編程的主流程如圖3所示。
圖3 軟件編程的主流程圖
輸出控制：利用簡單的555定時(shí)器構(gòu)成控制電路。8051輸出接三極管T，若無險(xiǎn)情時(shí)，8051輸出為低電平，三極管T截止，555處于置零狀態(tài)，無輸出；若出現(xiàn)險(xiǎn)情，8051輸出高電平經(jīng)DAC后，T導(dǎo)通，555置零無效，實(shí)現(xiàn)多諧振蕩的功能，擴(kuò)音器鈴聲報(bào)警，改變RC參數(shù)可改變報(bào)警頻率。光報(bào)警與制動(dòng)裝置直接并聯(lián)于555輸出端即可。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
3 結(jié)束語
頻率高于20kHz的超聲波波長短、方向性好、能夠呈射線定向傳播，碰到界面就會(huì)有顯著反射。這些特性有利于選用超聲波做媒體，測定物體的位置、距離甚至形狀等。
本文介紹的超聲波防撞系統(tǒng)，能充分發(fā)揮8051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)，提高靈敏度。具有體積小、使用方便的特點(diǎn)。
獲得可以接受的低虛警率，是檢測防撞雷達(dá)理論研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對編碼步進(jìn)調(diào)頻連續(xù)波信號在防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用，用試湊逼近算法來檢測危險(xiǎn)目標(biāo)，在發(fā)射波形中加入偽隨機(jī)序列調(diào)制，能夠有效地去除虛警。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 胡廣書.數(shù)字信號處理 理論、算法與實(shí)現(xiàn)（第二版）[M].清華大學(xué)出版社.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號