汽车防撞报警系统设计_毕业论文

学号：***********
毕业论文
汽车防撞报警系统设计
Automotive collision avoidance alarm system design
学院计算机与电子信息学院专业电子信息科学与技术班级电子09-1 学生 *** 指导教师（职称）刘利民（讲师）
完成时间 2013年03月25日至2013年06月15日
摘要
随着经济的高速发展和居民生活水平的不断提高，我国汽车数量逐年递增，各类交通事故频发, 其中多为汽车碰撞事故。

为此本文设计了一种以超声波测距和AT89C51 单片机为核心的汽车防撞报警系统，以期提高汽车运行的安全性，减少交通事故。

该系统根据超声波测距原理，以AT89C51为核心，设计了汽车防撞报警系统，主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来，通过编写的Keil C51“.C”文件来实现测量距离，当距离小于阈值时，发出报警。

本设计的核心是超声波测距模块，其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的，测距模块是利用超声波传感器。

该系统可提高汽车行进过程中的安全性，构建汽车安全空间。

关键词：超声波传感器；测距；防撞；报警； AT89C51
ABSTRACT
With the high-speed development of economy and people life level unceasing enhancement, car ownership in China increasing every year, all kinds of frequent traffic accidents, mostly car collision accident. This paper designed a kind of ultrasonic ranging and AT89C51 as the core of automotive anti-collision alarm system, so as to enhance the safety of vehicle running, reduce traffic accidents. According to the principle of ultrasonic ranging, this system usesUSES AT89C51 as the core, the design of the automotive anti-collision alarm system, the main is the single-chip microcomputer control module, ultrasonic distance measuring module, a buzzer alarm module, the four digital tube display module that combines several modules, written by Keil C51. "C" files to achieve the measurement distance, when the distance is less than the threshold, issued a report to the police. This design is the core of the ultrasonic ranging module, on the basis of other related modules are in the range expansion, ranging module is to use ultrasonic sensors. The system can improve the safety of vehicles in the process of marching, build space of automotive safety.
Keywords ：ultrasonic sensor; distance measurement; avoiding collision; give an alarm; AT89C51
目录
摘要 (2)
ABSTRACT (3)
目录 (4)
第一章绪论 (6)
(6)
(9)
(9)
(10)
1.3 论文的主要内容和章节安排 (11)
第二章防撞预警系统安全距离模型、决策系统 (12)
(12)
(12)
2.3 驾驶员预估模型报警算法 (12)
本章小结 (14)
第三章超声波及其工作原理 (15)
(15)
(16)
(17)
3.4 测距系统的主要参数 (19)
本章小结 (20)
第四章防撞预警系统的总体方案 (21)
4.1 设计方案 (21)
(21)
4.1.2 超声波时序图 (22)
4.2 系统总方案 (23)
本章小结 (24)
第五章防撞预警系统硬件电路设计 (25)
5.1 单片机系统设计 (25)
5.1.1 单片机的选择 (25)
5.1.2 单片机引脚功能 (26)
5.1.3 单片机最小系统 (30)
5.2 超声波发射和接收电路设计 (31)
5.2.1 超声波发射电路设计 (31)
5.2.2 超声波接收电路设计 (32)
5.3 显示报警模块设计 (34)
5.3.1 显示电路的方案比较 (34)
5.3.2 数码管显示模块设计 (35)
5.3.3 报警模块设计 (36)
5.4 系统整体电路 (37)
本章小结 (37)
第六章防撞预警系统的软件设计 (38)
6.1 主程序设计 (38)
6.2 中断处理程序 (39)
6.3 显示模块设计 (40)
6.4 报警模块设计 (41)
本章小结 (42)
第七章系统调试及展望 (43)
7.1 Keil C51系统调试界面和程序调试 (43)
7.2 仿真 (44)
7.3 系统误差分析 (45)
(46)
致谢 (47)
参考文献 (48)
附录 (50)
第一章绪论
随着我国经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，各种交通工具得到了极大的发展。

汽车为现代社会的发展和生活条件的改善做出了重大贡献，在生活和生产方面带来的变化越来越显著，给人们创造了更便捷、更高效和更舒适的出行方式和工作方式。

汽车经过一个世纪的发展，已经成为人们日常生活中不可或缺的组成部分。

但是，随着交通运输总量的迅速增加，交通安全的问题越来越严重。

尤其在公路交通领域，随着大幅增长的汽车数量，由交通事故的导致的各种损害也在不断地增加。

交通安全对生命财产安全具有深刻地影响，而目前我国己经成为世界上因交通事故死亡人数最多的国家。

从二十世纪八十年代末中国交通事故年死亡人数首次超过五万人开始，中国(未包括港澳台地区)每年发生交通事故50万起左右，因交通事故而死亡的人数年均超过10万人，已经连续十余年为位居世界第一。

据中新网报道，在2009年我国总共发生了道路交通事故238351起，造成67759人死亡、275125人受伤，直接导致财产损失了9.1亿元。

按照国际惯例，国民收入每增加1%，机动车拥有量就会增加1.02%到1.95%，人均国民收入达到1000美元至2000美元时，小汽车拥有量增长进入高峰期。

随着我国经济的持续快速地发展，国民所拥有的车辆数量的逐年飞速增加，行车空间逐渐减小，非职业驾驶人员的人数逐渐增多，其中很多是刚刚拿到驾照的新手，这些都将导致交通事故的频繁发生，因此交通事故己经成为危害人类社会安全的主要方面。

如果不进行解决交通安全的问题，那么随着交通事故频频发生，特别是一些发生的重特大事故，对国家利益和人民生命财产安全造成了严重危害，将会成为社会新的不安定因素，所以，世界各国共同面临着交通安全保障这一具有紧迫性和挑战性的问题。

交通事故是在特定的交通环境下，由于人、车、道路、环境各要素配合失调而偶尔发生的。

一般来讲，单纯由其中单个因素，引起的道路交通事故非常少，通常都是由几个因素共同作用的结果。

影响道路交通安全的因素主要包括“人、车、路”，其中，人是保证道路交通安全最重要的因素，如驾驶员精神状态和驾驶技术、酒后
驾车、超速行驶和判断失误等人为因素可以直接诱发各类交通事故。

图1-1描述了造成交通事故的几种主要原因。

图1-1 造成交通事故的主要原因
从图1-1中可以发现驾驶员的个人因素在所有造成事故发生的因素中占有很大比重。

另据统计数据表明，汽车驾驶员反应迟缓造成的各类交通事故占到交通事故总量的80%以上的，追尾相撞占到车辆相撞类事故的65%以上；在追尾事故中，由于驾驶员未能清除查看前方车辆而导致的事故占到了45%左右，有30%左右的事故是由于未能及时觉察到危险而导致事故无法避免。

特别是在高速公路上行车时，由于行驶车辆的车速都很快，从而留给驾驶员的反应时间短，另外，长时间在高速公路驾驶会使驾驶员产生疲劳导致反应迟缓;当遇到雨、雪、雾等天气时，行车路面较滑、能见度较低，发生事故概率将会增大。

表1-1列出了在交通故障总量中各种类型交通事故的比重。

表1-1 各种类型交通事故所占的比例
交通事故类型所占百分比（%）交通事故类型所占百分比（%）
车辆间事故接触事故 4.0%
52.3% 单独车辆
事故
翻车事故 8.0%
46.3% 追尾事故33.4% 冲撞防护栏28.3% 其他14.9% 其他10.0%
其他事故 1.4%
合计100%
德国奔驰汽车公司通过对各类交通事故进行统计研究得出的结论为:如果驾驶员能够及时的提前感知到危险并提一前0.5秒钟采取处理措施，30%左右的正面相撞类事故、50%左右路面状况相关的事故和60%追尾事故的可避免发生；果驾驶员能够及时的提前感知到危险并提前1秒采取处理措施，大约90%的交通事故发生可避免发生。

图1-2给出了反应时间与避免事故发生概率之间关系的直方图。

反应时间（S）
图1-2反映时间与事故避免率对比关系
提高驾驶员的驾驶水平和危险感知能力，可以减少交通事故的发生，所以，一方面开展对驾驶员的交通安全法规的教育，另一方面开发汽车安全防撞预警系统以提高驾驶员尽早对危险路况的感知能力，提高行车的安全性。

提高车辆安全性能有两种途径：即主动安全(Active Safety)措施和被动安全(Passive Safety)措施。

汽车安全一般包括主动安全、被动安全、事故后安全性等。

汽车的主动安全性是指事故将要发生时操纵制动或者转向系，防止事故发生的能力，以及汽车正常行驶时保证其动力性、操纵稳定性、驾驶舒适性的能力。

汽车被动安全性是指事故发生时保护车内乘员和车外步行者，使人员伤亡和直接经济损失降到最小的能力，可分为车外部安全性、车内部安全性。

事故后安全性，是指汽车能减轻事故后果的能力和能否迅速消除事故后果，并避免新的事故发生的能力。

在现阶段，若想从根本上降低碰撞事故发生率，必须开展汽车防撞系统的研究。

在公路交通领域，汽车安全防撞预警系统依靠车载距离探测设备探测目标对象的运动参数，根据目标对象的位置信息结合一定的评判准则及计算方法，如果汽车处于危险状况下，向驾驶员发出报警信号或者自动采取危险规避措施，从而可以实现根据需求状况控制汽车行驶之间的距离，既满足行车的速度要求，又可保持安全车距。

特别是能够开发
出稳定、可靠、有效、价格低廉、适应性强的汽车安全防撞预警系统，减少交通事故的发生，提高公路交通安全水平，是急需解决的社会安全性问题。

所以，研究汽车安全防撞系统是一个具有实际应用意义而非常重要的课题。

汽车防撞系统即为 Car Collision Avoidance System，简称是CCAS，该系统是智能型汽车不可或缺的一部分，CCAS 可以进行思考并利用计算机系统进行运算分析，一旦遇到危险状况即可发送警报提醒前方有汽车或行人及障碍物等，这样可以使驾驶员提前采取措施如减速、制动等来有效避免事故发生。

一般这种智能汽车防撞系统包括以下三个系统：（1）信号采集系统；（2）数据处理系统；（3）执行指令系统。

汽车防撞雷达将声、光、电等多方面的高端技术结合在一起，而且智能识别处理机的反应速度是远远超过人类的大脑的反应速度，适用于所有类型的车辆。

随着汽车的普及近年来各国车祸事件日驱严重，所以CCAS的研究与发展势在必行，但由于装置的高智能、高集成、高适应性，其高昂的成本而未得到广泛的应用。

汽车安全防撞预警系统是指在汽车行驶过程中，利用车载探测设备对汽车周围的障碍物进行检测，如果汽车与障碍物有可能发生碰撞，系统发出声光报警信号，提醒驾驶员及时感知危险信息以及当前危险的程度，可以使驾驶员提前采取相应的处理措施，避免发生追尾、侧滑等交通事故。

早在20世纪60年代，德国、美国和日本等发达国家都致力于对汽车安全防撞系统的研究，由于受到技术水平、硬件成本高等因素的制约，该系统的研究一直没有取得突破性进展。

1986年，德国奔驰公司发起了“普罗米修斯”计划，很多机构都开始参与研究雷达防撞报警系统。

由于微波器件和集成技术的快速发展，防撞预警系统在汽车运用领域中的应用有了较快的发展。

奔驰、宝马等著名的汽车生产厂商选用的雷达类型为调频毫米波雷达FMew(FrequeneyModulati。

neontinuousWaVe)，选择的频段主要为76一77GHz。

如奔驰公司和英国劳伦斯电子公司一起研发的一款汽车安全防撞预警系统的有效探测距离可以达到巧O米，该系统可以提供声光报警信号，己经在各类轿车、客车和卡车上应用了很多年，其性能良好自l。

20世纪90年代，日本运输省提出的一个先进安全汽车ASV(AdvancedSafetyVehicle)计划，该计划中明确提出了研究智能汽车和安全驾驶支持系统是实现交通安全的关键技术之一。

2000年，丰田汽车公司研发了一款主动预防安全系统;三菱和日立公司研发的防撞报警系统中选用的雷达类型为FMCW，中心频率为60一61GHz或76一77GHz，有效探测距离为120米;尼桑公司为4lLV~Z车型配备了一款自适应巡航控制系统，该系统的探测传感器采用毫米波
雷达，能够提供巡航驾驶时所需信息。

福特公司研发的一款汽车防撞系统，其正常工作频率为24GHz，有效探测距离为106米，能够根据车辆转弯角度信息适应弯道情况，使系统只对本车道内的车辆进行探测，避免受到其他车道上目标物的干扰。

美国高级波导公司研发了一款红外激光全方位双回转汽车防撞系统，该系统通过扫描360度范围内的障碍物，并将信号经过处理后转换为视频，能够准确给出障碍物的方位、距离、将要碰撞时间等参数，还可以提供预警信号，但该系统的虚警率和价格偏高，目前还没有实际应用。

2008年，美国罗斯特拉精确控制公司研制了一款可以安装在汽车尾部防撞杠内的微波防撞感应器，该感应器采用了微波技术，可穿透塑胶类防撞杠、雨雪等物体其有效监测范围为汽车后方及左右两侧4米。

20世纪90年代中期以来，我国开始跟踪研究国际上智能交通系统
ITs(IntelligentTransPortationSystem)的发展状况。

目前，国内的一此大型汽车企业和科研院所也开展了关于汽车安全防撞技术的研究工作，如:长春一汽、L海大众、东风汽车、交通部科学研究院、武汉汽车研究所、清华大学汽车系、北京理工大学机械系、长安大学汽车学院、吉林大学和东南大学等。

但都只是探索性的研究，尚无可以批量生产的产品。

我国开展汽车安全防撞系统的研究时间较晚。

经过多年的不懈研究也取得了一些成果。

其中北京泰远汽车自动防撞器制造研制出了我国第一台全智能化的汽车自动防撞器。

该防撞器能够识别出汽车前方可能对自车安全构成威胁的障碍物时实现自动制动、自动减速、自动报警，使汽车保持一个安全距离。

该系统在自动制动时能提前点亮刹车灯，可以提醒后车小心追尾。

除了以上的功能，该自动防撞系统还安装了远红外设备，防撞器系统在夜晚或者隧道里行驶一可以如同自大一样工作。

虽然汽车安全防撞系统研究己经取得了许多的成果，而且这些成果实际应用情况也不错。

但是，汽车安全防撞系统在硬件和软件上存在了许多不足，具有很大的改进空间。

关于硬件方面需要改进的地方有：l)降低设备成本，实现普及应用。

目前市面上的汽车安全防撞系统产品成本非常高，导致售价不菲。

虽然汽车安全防撞系统具有很大的市场需求量，但目前只有少数的高档汽车(主要是进口车系)才能具有这种系统，其实际太原理工大学硕士研究生学位论文应用范围并不广泛。

2)增强系统硬件的对恶劣环境的使用性。

目前汽车安全防撞系统适应性非常差，只能在理想情况下发挥作用。

在雨天、雾天、黑夜等恶劣天气以及坎坷不平的道路或拥挤的马路等糟糕的路况时，汽车安全防撞系统很难发挥作用，而此时恰恰应该是最需要它发挥作用的时候。

汽车安全防撞系统软件方面需要改进的地方是系统算法处理程序，需要充分考虑路面情况(积雪、积水等)。

1.3 论文的主要内容和章节安排
本次设计主要内容是设计一种基于单片机汽车防撞报警系统，主要利用单片机对超声波传感器采集的模拟数据处理及存储。

当超声波传感器检测到汽车前方障碍物与汽车距离小于阈值时，系统快速地进行声光报警。

实时采集汽车与前方障碍物距离变化，及时了解当前所处情况是否处于安全环境。

通过超声波传感器检测障碍物距离，通过单片机接收到数据进行处理，在数码管上显示与障碍物距离，保证能够准确地接收信息，当检测距离小于阈值，蜂鸣器同时工作。

论文构成主要由以下部分组成：
第1章主要介绍了本课题的背景意义和相关技术在国内外的研究现状。

第2章主要介绍防撞预警系统安全距离模型、决策系统以及与路面附着系数。

第3章介绍超声波工作原理，超声波传感器特性以及测距系统的主要参数。

第4章介绍的是汽车防装的总体方案设计。

首先介绍汽车防撞系统的设计要求，然后分别对测距传感器的选择和显示报警系统的方案设计做了介绍，最后提出本系统的总体的设计方案，为硬件系统的设计打下了基础。

第5章对硬件的设计进行了介绍。

首先对单片机的选择选择及功能做了介绍，对超声波传感器的工作原理进行了分析，然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路的硬件设计，最后介绍了显示模块电路和蜂鸣器报警电路的设计。

第6章对系统的软件设计进行了介绍。

在软件设计中采用不同模块不同编程进行设计的，本设计分别对系统的主程序模块、中断子程序模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块和数码管的显示模块的各个程序进行了设计。

第7章对系统进行调试，用软件protues 7.8仿真，并指明了系统设计的不足之处，以及对系统误差进行分析、总结和展望。

第二章防撞预警系统安全距离模型、决策系统
l)行车安全距离的概念
在行驶过程中，各车辆之间保持一定的安全间距，如果安个间距过小，则易发生汽车碰撞类事故;如果安全间距过大，又会影响道路的通行能力。

2)行车安全距离的法律基础
《高速公路交通管理办法》第十五条规:机动车在高速公路上正常行驶时，同一车道的后车与前车必须保持足够的行车间距。

正常情况下，当行驶时速在100Km小，行车间距为100米以上;时速70Km月1，行车间距为70米以上。

遇上风、雨、雪、雾天或者路面结冰时应当减速行驶。

《中华人民共和国道路交通安全法》中第六十七条法规规定:高速公路的限速标志标明车辆的最高时速不得超过12Km/h。

当两辆车公路上同向行驶时，若后车速度大于前车速度，则两车之间的距离将不断缩小，如果前车的驾驶员不采取提速措施，则可能引发车辆追尾事故。

车辆同向行驶在道路上，为了避免前后车辆相撞，就需要对前后车辆的纵向相对的实际距离实时检测，并判断其是否为安全距离。

车辆的制动距离与车辆的纵向安全距离的确定有着密切联系。

所以在建立汽车纵向安全距离模型之前，必须搞清楚汽车制动距离的概念，通常制动距离是指在某一时刻汽车以某一速度正常行驶(包含空档)时，从驾驶员踩住制动踏板开始到汽车完全停住这段时间内汽车所驶过的所有距离，这个距离就被称为汽车的制动距离。

2.3 驾驶员预估模型报警算法
驾驶员预估模型报警算法是根据驾驶员预估行为确定安全距离的方法。

首先，驾驶员先预估现有的行车相对速度和相对距离，然后预测在短时间内的运动状态，若τ时间后，达到自己能容忍的最小距离
d，则系统报警，当前距离称为临界报警距离。

min
式中:ν为前后车的相对速度，为本车减速度，驾驶员判断示意图如图2.1所示。

图2.1 驾驶员判断示意图
在本算法中，前车运动状态的判别方法有以下几点: ( 1) 当测量出的车间距离值不变或增大，则可判定前车相对后车为静止或加速状态，不会发生纵向碰撞；（2）当测量出的两车间距离变小，且相对速度等于后车速度，则说明前车处于静止状态。

(3) 若相对速度大于后车速度，则认为前车位于对面车道上，则不进行目标危险性判断，否则，则认为前车相对后车为减速。

基于驾驶员预估模型的预警算法相对比较合理，下面分析参数τ和
的确定。

1. 时间参数τ
若确定时间参数τ，首先需要对车辆的制动过程进行分析。

一个典型的车辆制动过 程可以描述为: 驾驶员意识到前方发生紧急情况，迅速踩踏制动踏板，汽车减速直至停止的过程，如图2.2所示，这个过程可以描述成三个阶段。

图2.2 车辆制动过程
min 2
2
d t t a v t d ++•=
第一阶段为驾驶员反应阶段: 即驾驶员发现紧急情况到采取制动措施阶段，这个时间可以分为两部分，反应时间1t 和动作时间2t 。

第二阶段为减速度增长阶段: 这个阶段也可以分为两个部分，制动协调时间3t 和减速度增长阶段4t 。

第三阶段为制动减速度达到最大后直至汽车停止的阶段。

汽车在各阶段的行驶状态为: ( t1 ～ t2) 匀速，( t3 ～t4) 匀速+ 变速，t5匀减速。

根据运动学知识可以推导出，制动距离为:
反应时间t1和动作时间t2是驾驶员辨认前方情况并采取制动的反应时间，这个值与驾驶员的年龄、性别、情绪、身体状况、车速以及目标的状态等因素的不同差异较大，因此很难准确确定。

t1和t2这两个值的和被称为临界反应时间，这段时间一般为0．8～
1．3 s ，此值不宜取太小，避免造成驾驶员发现报警引起恐慌，模型中选择临界反应时间为1．2 s ，t3和t4均取0．2 s 。

2．附着系数
加速度取值的选择会直接影响模型的理论值的大小，实际计算表明主要取决于路面的附着系数，汽车在路面上的制动受路面与轮胎之间的附着条件的影响，地面对轮胎切向反作用力的极限值称为附着力F ，在硬路面上它与驱动轮法向作用力成正比。

因此轮胎与地面间的附着系数可以表示为。

在某一特定的模型中，为了简化计
算，取两车与路面的附着系数相同，附着系数的大小如表2.1所示。

表2.1 附着系数参照表
本章小结
本章主要对行车安全距离、行车制动距离介绍，进行预估算法，驾驶员先预估现有的行车相对速度和相对距离，然后预测在短时间内的运动状态，若τ时间后，达到自己能容忍的最小距离min d ，即临界报警距离，则系统报警，临界报警距离。

天气 状况
附着系数 水泥 沥青 积雪 干燥
潮湿
第三章超声波及其工作原理
人耳的听音范围是20Hz—20KHz , 超声波是人耳听不到的一种声波, 是一种频率高于20 kHz 的声波，通常频率高于20 kHz 的超声波不仅波长短、方向性好、能够成射线定向传播、纵向分辨率比较高、对色彩和光照度不敏感、对外界光线和电磁场不敏感, 碰到界面就会有显著反射, 而且能在有灰尘、烟雾、有毒等各种环境中稳定工作。

这些特性都有利于选取超声波作为媒介, 测定物体的位置、距离甚至形状等。

经综合比较, 基于超声波的汽车防撞报警系统的设计中, 采用的是超声波频率为40 kHz 的超声波传感器。

超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。

目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。

电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。

流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同。

在汽车倒车防撞系统中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。

压电传感器探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波测距装置的重要组成部分。

传感器的主要组成部分是压电晶片。

当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。

当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。

前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。

超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。

这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。

在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。

也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。

如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。