汽车防撞雷达系统的设计

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度高的酒精误差小，这也是设计的该酒精浓度探测仪适合与检测酒后驾车的原因，因为人在饮酒后，从呼吸道呼出的酒精气体浓度一般都不是很高。因此，经过适当的改进，可以用于

检测酒后驾车。

参考文献

[1]彭军.传感器与检测技术[M].西安:西安电子科技大学

大学出版社,2003.

[2]高伟.51单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2008.

汽车防撞雷达系统的设计

德州学院汽车工程学院 寻 莹

【摘要】随着我国汽车行业不断发展，公路交通随着出车流密集化和驾驶员非职业化，交通事故越来越多。本文设计的汽车防撞雷达系统，就是当汽车与障碍物的距离较近时即可向司机预先发出报警信号，可及时有效的防止交通事故的发生。【关键词】单片机；报警系统；防撞雷达

1.引言

随着人民经济水平的提高，汽车已经走进我们的家庭中。但汽车相撞的交通事故发生增加了人民财产的损失。为了减少这种损失，设计一种能够提前预知前方行驶车辆的速度和距离的安全避撞装置是非常必要的。该汽车防撞雷达系统是以MCS-51系列单片机为核心器件，结合比较常规的超声波测距器件和霍尔车速传感器以及价格低廉的电子元件组成，包括硬件设计和软件设计两部分。本系统具有低误差、高精度和低成本的特点。

2.系统总体设计原理

设计的基本思路：通过对速度和距离的感知与计算，判断驾驶状态是否安全，并报警提醒驾驶员。系统总体方框图如图1所示。利用AT89S51单片机为核心器件并结合常规的超声波测距探头和霍尔车速传感器以及价格低廉的电子元件完成的。硬件电路由超声波信号发生电路、超声波信号接收电路、、单片机控制电路以及显示电路组成。测量获得的距离、速度信息都传递给单片机，单片机根据设计的计算模型，分析计算所获得的各种信息来判断与前方障碍物距离是否安全，并决定是否需要

图1 系统总体方框图

当40kHz的超声波发送脉冲信号由单片机送出，（其脉冲宽度及发送间隔均由软件控制），经多路选择开关按序分别送到前左、前右、后左、后右4路发送换能器上，由接收电路接收反射波，通过多级放大，整形后，待将交流信号整形输出一个方波信号时，由单片机检测此信号，从而检测出前进和倒车方向障碍物距离，通过显示单元显示距离和方位，起到提示和警戒的作用。

3.硬件电路设计

控制系统采用单片机为主控部件。单片机本身是一个最小的应用系统，但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部，需在片外加接相应的外围电路。汽车防撞系统的硬件电路是由超声波信号发生电路、超声波信号

接收电路、感应信号放大及处理电路、中央处理单元电路、测速电路等其他电路组成。

3.1 主控芯片

本设计选用AT89S51为主控芯片，充分利用了AT89S51的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统，而且AT89S51的性价比较高。AT89S51的主要技术参数如表1所示。

3.2 超声波信号发射电路

超声波信号发射电路如图2所示，包括超声波信号的产生、多路选择及换能器等。超声波探头选用压电超声波换能器。压电超声波换能器是利用压电材料的压电效应来工作的。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生探头；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受探头。超声波发射换能器与接受换能器其结构

稍有不同。

图2 超声波信号发射电路

3.3 超声波信号接收电路

超声波信号接收电路如图3所示，由接收换能器、多路选择开关、放大及控制等电路组

成。

4.软件设计

主程序包括初始化和各个子程序的调用，最后把结果用LCD显示出来，并作出判断。系统主程序流程图如图4所示。

显示子程序流程图如图5所示。超声波发射极和接收极距离较近，当发射极发射超声波以后，有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号是无用的，会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题，并设定延时时间为1ms，即在发射极发射超声波1ms内，通过软件关闭所有中断，接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬，1ms后立即启动中断程序，这时接收到的信号才有效，并在接受到回波信号的同时，中断程序停。此时中断程序所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的。因此，系统存在测量盲区。最后把测量结果存储并通过LCD液晶显示电路显示出来，完

图4 系统主程序流程图

图5 显示子程序流程图

表1 AT89S51的主要技术参数

(1)与MCS-51产品指令系统完全兼容；(2)4K字节可编程FLASH存储；

(3)1000次擦/写循环；(4)4.0～5.5V的工作电压范围；(5)全静态工作：0Hz-24KHz；(6)三级程序存储器保密锁定；

(7)128*8位内部RAM；(8)32条可编程I/O线；(9)两个16位可编程定时/计数器；(10)6个中断源；(11)2个全双工串行通信口；(12)可直接驱动LCD；(13)5个中断优先级；(14)2层中断嵌套中断；(15)片内时钟振荡器；(16)看门狗(WDT)电路；

(17)低功耗空闲和掉电保护。

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5.结论

结合道路、驾驶习惯及现有传感器的技术状况，设计了汽车防撞报警系统，基本完成了汽车防撞雷达设计的各项技术要求。在正常行驶时，该系统不报警，当自车与前车之间的距离小于所设定的安全距离并有可能发生碰撞时，该系统将发出报警信息，提醒驾驶员采取相应的措施，以避免碰撞事故的发生。当自车与前车之间的距离小于所设定的安全距离并有

可能发生碰撞时，该系统将发出报警信息，提醒驾驶员采取相应的措施，以避免碰撞事故的发生。

参考文献

[1]云振新.低成本毫米波汽车防撞雷达系统[J].世界产品与技术,2002.

[2]周来良,张立新.应用微波雷达防止汽车碰撞[J].世界汽车,2004.

[3何立民.单片机应用系统设计[M].北京:北京大学出版社,2005.

[4]林元新.超声波测距和汽车防撞雷达的设计[J].汽车电器,2006.

作者简介：寻莹（1990—），女，山东济宁人，研究方向：汽车运用工程。

自行车前后轮摩擦力方向演示模型的设计与制作

湖州师范学院理学院物理实验教学示范中心 金 旭 陈 彪 叶宜科 叶建都 胡奇武 呼格吉乐

【摘要】基于对摩擦力的深入研究，设计制作了自行车前后轮摩擦力方向演示模型。此模型能够直观地观察到自行车前后轮所受摩擦力的方向，可以使人们更直观地观察到自行车前后轮所受摩擦力的方向。本文详细介绍了该模型的设计与制作。【关键词】摩擦力；模型；前后轮；使用说明

一、引言

在高中物理课程学习中，自行车前后轮所受的摩擦力是教学的难点：为什么人骑自行车时后轮受到的摩擦力向前，而前轮受摩擦力向后呢?学生对此理解起来有一定的困难。基于这一问题，我们设计制作了自行车前后轮摩擦力方向演示模型，主要借助于自行车在水槽中前进时水的飞溅方向来确定前后轮各自的摩擦力方向。通过此模型，我们能够直观地观察到自行车前后轮所受摩擦力的方向，有助于学生更好地学习理解摩擦力的相关知识。

图2 模型实物图

三、功能简介

自行车前后轮摩擦力方向演示模型能够演示自行车前后轮所受摩擦力的方向，使人们直观地观察到自行车前轮所受摩擦力向后，而后轮所受摩擦力向前的实验事实，从而对摩擦力有更深一步的理解。

四、实验模型的原理说明

自行车前进过程中，后轮是动力轮，骑车时脚用力蹬脚蹬，因为踏板轴链条是与后轮轴连接的，后轮在链条带动下运动，当后轮转动时，后轮和地面的接触的地方，就相对于地面有向后运动的趋势，所以后轮就会受到地面对它向前的摩擦力（这里的原理跟人走路时脚受到的摩擦力方向一样）；前轮是阻力轮，前轮原来的状态是静止的，后轮运动推动前轮运动，假设地面光滑，前轮将不能转动，而向前滑动，所以前轮与地面接触点有向前运动趋势，所受摩擦力的方向是向后的。转动脚踏板，使自行车在水槽中前进时，根据牛顿第三定律，轮胎所受的水对它的摩擦力与水受到的轮胎对它的摩擦力方向相反，因此与后轮接触的水会向后飞溅，与前轮接触的水会向前飞溅。因为后轮是主动轮，因此将后轮架空只与水接触，转动脚踏板使后轮空转时，后轮处水的飞溅方向也向后，即后轮摩擦力方向向前，前轮是从动轮，属于平动，因此推动自行车时前轮的运动与骑车时相同，此时前轮处水的飞

溅方向向前，即前轮摩擦力方向向后。

图3 实物自行车

五、制作方法

1.截取钢材：两根长300cm的钢材，两根长8cm，四根长100cm；

2.测量自行车扶手至轮胎的高度为84cm；

3.将钢材焊接成如结构图中的钢架；

4.将钢架的水平支撑架用泡沫包裹；

5.用钢材制作一个长250cm，高和宽分别为10cm的水槽，用于盛放水，并在底部的前部、中部，后部分别对称安装两个滚轮；

6.在自行车扶手处安装一个可手动调节高度的横杆，并将自行车坐垫置于钢架的两个水平支撑架上方，保证自行车前后轮贴近水槽底部但不与水槽底部直接接触。

六、使用说明

1.将自行车置于水槽的一端，并调节扶手处横杆高度和坐垫高度，使自行车前后轮都与水槽底部接触；

2.在水槽中倒入适量水，高度约5cm，快速转动脚踏板，使自行车轮在水槽中转动，模拟自行车行驶过程；

3.观察自行车前后轮处水的飞溅方向（理论为前轮处向前，后轮处向后），验证自行车前后轮所受摩擦力的方向；

4.调节坐垫高度，使自行车的后轮架空，不与水槽底部接触，只与水接触，并逆时针转动脚踏板，使后轮在原地转动，观察与后轮接触的水的飞溅方向（单独验证后轮的摩擦力方向）；

5.调节扶手处横杆高度，使自行车前轮架空，不与水槽底部接触，只与水接触，并顺时针转动前轮钢圈，观察与前轮接触的水的飞溅方向（单独验证前轮处的摩擦力方向）；

6.保持自行车后轮架空，调节扶手处横杆高度，使自行车前轮与水槽底部接触；

7.将自行车置于水槽尾端，在水槽前端施力，沿自行车方向推动水槽，使水槽相对于自行车向后运动（即自行车相对于水槽向前运动）；

8.观察自行车前轮处水的飞溅方向（进一步单独验证前轮处的摩擦力方向）。

七、相关拓展

我们所做的模型虽然能够大致观察到自行车前后轮所受摩擦力的方向，但由于手动推水槽的速度过小，前轮的实验现象不是很明显，我们想到可以在现有的装置基础上改进，在支架的前横杠上竖直焊接一个高度约为一米的钢管，在钢管顶部钻一个小孔，量出小孔至水槽中间高度处的距离L，取一段长度略大于L的软钢丝，一端固定在小孔上，另一端系一个大小和铅球差不多的钢球，演示时将钢球拉起，与竖直钢管成一个较大的角度，然后释放钢球，使钢球撞击水槽前段，撞击后水槽将会以较大的速度向后滚动，此时就能明显看到前轮处水的飞溅方向，进而得到前轮所受摩擦力的方向。

参考文献

[1]漆安慎,杜婵英编.力学[M].高等教育出版社,2005.注：本文系大学生创新创业项目。

作者简介：金旭（1992—），女，浙江海宁人，现就读于湖州师范学院理学院2011级物理学专业。指导老师：呼格吉乐（1980—），男，蒙古族，内蒙古通辽人，工程硕士，高级实验师，现供职于湖州师范学院省级物理实验教学示范中心，主要从事物理实验教学与物理教学仪器开发。