基于超声波技术的汽车防撞系统模型

第三届发明杯参赛作品：基于超声波技术的汽车防撞系统模型

发表日期：2008年6月15日【编辑录入：一帆】

参赛作品：基于超声波技术的汽车防撞系统模型

作者单位：广东交通职业技术学院

设计者：李进标温锐坚章进顺

指导教师：王贵恩

摘要

本防撞系统以自制小车为模型，通过对小车各超声波组的发射和接收，采用渡越时间法准确地测出两车或车与物体之间的相对距离和相对速度并通过综合多方面因素来判断小车是否安全。采用温度传感和语音芯片进行超声波温度补偿和实时报警，采用无线模块对小车进行控制如前进、转弯、加速等来模拟司机的驾驶，减少实际的误报、冗报等问题。

关键词：超声波渡越时间法模型防撞

引言

随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展，电子智能化控制以渗透到各个领域之中。而汽车数量日益增多，车速愈来愈高，汽车交通事故也随之增多。汽车相撞、撞人、撞障碍物等时有发生。尤其高速公路上一旦出现撞车就会造成多车相撞。

此外，汽车倒车时司机不能观察车后情况，也往往造成撞人或撞上障碍物。分析撞车原因，大致有：驾驶不慎，能见度不高，车速过快，车距过小或汽车本身故障等。

针对上述问题, 我们设计一个基于超声波技术的汽车防撞系统能以声音和直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、起动车辆、行使等前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊（能见度低）的缺陷，提高了安全性。

本制作是基于AT89S52单片机控制的超声波技术的汽车防撞系统小车模型，通过单片机控制超声波换能器的发射与接收，利用计算收发时间差算出四周各障碍物具体距离加以显示及自动控制小车减速或停车功能，快速准确地实现自动测量显示与智能控制。超声波对外界光线和电磁场不敏感，可以用于黑暗、有灰尘、烟雾、强电磁干扰等参杂环境中，使得系统抗干扰能力、测量精度能力增强。我国是交通大国，交通驾驶安全事故频频发生，此防撞控制系统的研究将有利于交通驾驶智能控制的发展，可以使得交通事故大幅度下降。

该系统由单片机控制，体积小巧，安装灵活方便，具有一定的应用前景。

1 总体方案设计

1.1传感器的选择

智能测距主要有红外收发测距、超声波测距。

红外收发测距是利用红外线的发射与接收进行测量。其特点是外围电路简便。但是存在受外界干扰大，测量距离范围小等不足。

超声波测距是利用超声波传感器进行发射接收。超声波传感器的外围电路设计较复杂，但其干扰能力强，不受空间电磁波干扰，也不受一般机械振动的干扰，穿透性好，可在浓雾、风沙、阴雨、污染环境中工作，适合大型车辆的行驶测距。经过对比，考虑到车辆行驶过程中测距应当有较强的抗干扰和较长测距能力，我们选用了超声波传感器作为此方案的主要技术扩展。

1.2系统原理框图

系统原理框图如图1。

图1 系统原理框图

2 单元模块设计

2.1超声波收发电路

1）本系统采用收/发分立的超声波传感器（send:TCT40-10F1、Receive：TCT40-10S1），其谐振频率为 40KHz为宜。度越时间法原理：周期性的发送间断的40KHz超声波信号，并计算出在一个周期内接收到的超声波回波信号时间与发送时间的时间差值；利用这个差值结合超声波在空气中的传输速率就可得出距离值。那么测量最大值就是以一个周期为时间差的距离值。一般公式为:

d=v×t/2最大值为： dmax＝v×T/2（T为周期）

假设室温下声波在空气中的传播速度是 335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是 t 秒，则距离 D可以由下列公式计算：

D=33550(cm/s)×t(s)

因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离d应该是 D/2。

如图2所示为超声波收发电路示意图。

图2 超声波收发原理框图

40KHz的方波信号由单片机的T1周期性产生，经过驱动电路推挽超声波发射头向外发出。由于在外界中存在很多的干扰，接收回来的微弱信号的波形将类似正弦波，但含有很多的杂波。我们必须报这个接收回来点波送进带通滤波器，还原出较好的波形，然后进行放大，再送进电压比较器得到较好的方波，进入单片机进行中断。单片机中断后，计算出发射到接收的时间。

软件设计

3.1 小车自动控制构思

本作品采用前、后、左、右四路进行超声波测距判断，为了达到自动控制目的对各个方向作用构思如下：

前方超声波测距：用于行驶速度过快而靠近前方车辆或驶近前方静止物体时导致车距过短而减速或者完全停止。采用这个思路可以导出下式：

d2”>d1>d1’>0响应报警声，实时调整车速 (3-1)

d1’> d1>0自动刹车 (3-2)

(3-1)式表示，当前方距离d1大于设定值d1’（安全值）时，下时刻的速度函数是距离d1的倒数于前时刻速度之积。参数A的设置可以加大或减缓减加速的快慢。

（3-2）式表示，当前方距离d1小于设定值d1’时，小车处于危险状态，应该紧急刹车。这里安全值d1’可以根据刹车的安全距离来设定。

后方超声波测距：当汽车倒车时速度相对较慢，可以用于防止车辆撞上后方静止物体。当汽车行驶过程中，后方有车辆距离太近时也可产生报警信号提示驾驶员。采用这个思路导出下式：

d2”>d2>d2’>0响应报警声 (3-3)

d2’> d2>0自动停止小车行驶(3-4)

(3-3)式表示，当车辆倒车显示距离d2于设定值范围内时，小车保持原速度，但会产生报警信号。

(3-4)式表示，当车辆倒车显示距离d2小于设定最小值d2’时，小车自动停止，防止后部撞上物体。

左路、右路超声波测距：当车子左转弯或右转弯时，在左、右两路超声波测距监控下，可以确定车子左右端离障碍距离。这样起到报警、显示、急时自动刹车等功能。此功能与车后测距功能类同，可得表达式：

d3”>d3>d3’>0响应报警声 (3-5)

d3’> d3>0自动停止小车行驶(3-6)