賀波　姜穎　晁興旺　曲強(qiáng)　申振

摘要：汽車牽引防撞系統(tǒng)是一種向司機(jī)發(fā)出報(bào)警的裝置，此牽引防撞報(bào)警系統(tǒng)能在汽車牽引過(guò)程中自動(dòng)檢測(cè)障礙物，然后通過(guò)超聲波測(cè)距原理測(cè)出汽車與障礙物之間的距離，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離達(dá)到極限時(shí)，系統(tǒng)LED閃爍并發(fā)出聲音報(bào)警，達(dá)到提醒司機(jī)防止撞車的目的。文章對(duì)牽引車輛防追尾智能報(bào)警器設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：汽車牽引過(guò)程；防撞報(bào)警系統(tǒng)；防追尾智能報(bào)警器；超聲波；單片機(jī)；自動(dòng)控制 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U467 文章編號(hào)：1009-2374（2015）10-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0867

本設(shè)計(jì)利用傳感器技術(shù)、汽車ECU以及電氣控制技術(shù)，采用超聲波測(cè)距原理，當(dāng)小車與障礙物的距離小于所設(shè)定的安全距離時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出聲報(bào)警，并隨著距離的不斷縮近，LED閃爍頻率不斷提高，并發(fā)出報(bào)警提示音，防止汽車在牽引過(guò)程中發(fā)生碰撞。它能夠自動(dòng)檢測(cè)實(shí)時(shí)距離，當(dāng)達(dá)到閥值時(shí)LED閃爍并發(fā)出警報(bào)，以提醒司機(jī)及時(shí)采取措施，避免碰撞的發(fā)生。

汽車倒車防撞測(cè)距報(bào)警器一般有四種：（1）嘀嘀聲加閃光；（2）音樂聲加閃光；（3）語(yǔ)音聲加閃光；（4）倒車到危險(xiǎn)距離時(shí)發(fā)出警報(bào)聲的超聲波倒車報(bào)警器。由于很多研究都采用的是特殊難購(gòu)的專用元件，使其難以推廣，本設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的通用元件，成本較低廉，本設(shè)計(jì)使其在整個(gè)倒車過(guò)程中自動(dòng)測(cè)量車尾到最近障礙物的距離，在倒車到極限距離時(shí)會(huì)發(fā)出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車，如果和制動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)系在一起也可以形成自動(dòng)剎車。

1 控制系統(tǒng)方框圖

汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。該系統(tǒng)全部由汽車ECU控制，超聲波發(fā)射電路能在汽車ECU的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號(hào)之后送入汽車ECU進(jìn)行處理。算出后車與前車之間的距離，同時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行一次求導(dǎo)，得出兩車的相對(duì)速度，二次求導(dǎo)，得出兩車的加速度關(guān)系，從而根據(jù)特定的控制算法，控制聲光報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。

圖1 超聲波汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖

2 HC-SR04超聲波模塊

超聲波測(cè)距采用的是時(shí)間差法，即在某時(shí)刻向某一方向發(fā)射一定頻率的超聲波，在發(fā)生出超聲波的同一時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，該超聲波在空氣中以340m/s的速度傳播，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，就被立即反射回來(lái)，超聲波接受器接收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，立即讀取計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間，根據(jù)該時(shí)間便可以計(jì)算出兩者的距離，該距離對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)便是兩者的相對(duì)速度，求二階導(dǎo)數(shù)便可得到相對(duì)加速度。

利用以上所述原理，本設(shè)計(jì)選用HC-SR04超聲波發(fā)生接收傳感器，該傳感器可提供2～400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。控制口發(fā)一個(gè)10us以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離

多數(shù)倒車?yán)走_(dá)的超聲波傳感器為2～3個(gè)，單個(gè)傳感器的水平探測(cè)角度為60°～70°，這樣勢(shì)必造成2～3個(gè)盲區(qū)，如圖1，而增加傳感器的個(gè)數(shù)不但會(huì)增加成本，而且會(huì)提高報(bào)警器的故障率。另外，由于等同于水平探測(cè)角度的垂直探測(cè)角度顯得過(guò)大，往往對(duì)粗糙地面發(fā)生誤報(bào)，如果改為探測(cè)角度為30°的傳感器不會(huì)誤報(bào)，但是不能有效地探測(cè)約30cm高的路堤，造成倒車時(shí)碰到后保險(xiǎn)杠的問(wèn)題。

3 測(cè)距基本工作原理

聲音在真空中傳播速度為340m/s，利用汽車ECU中自帶的計(jì)時(shí)器功能，讀取發(fā)射出超聲波到接收到超聲波的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差便可以計(jì)算出后車到前車的實(shí)際距離，其原理與雷達(dá)測(cè)距原理是一樣的。

另外，超聲波測(cè)距誤差主要有時(shí)間測(cè)量誤差和速度傳播誤差：（1）時(shí)間測(cè)量誤差。假設(shè)超聲波在當(dāng)?shù)氐膫鞑ニ俣纫阎?，只要在達(dá)到微秒級(jí)的傳播時(shí)間計(jì)量差值精度，就可以保證測(cè)距誤差小于1mm，這對(duì)于該設(shè)計(jì)完全足夠；（2）超聲波傳播速度誤差。當(dāng)溫度為20℃時(shí)超聲波傳播速度為346m/s，30℃時(shí)是350m/s，每攝氏度超聲波傳播速度差值為0.4m/s，由此看來(lái)溫度所引起的誤差也是相當(dāng)小的，在此完全可以忽略不計(jì)。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：（1）采用汽車ECU的IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，首先產(chǎn)生至少10us的高電平信號(hào)；（2）當(dāng)該電平信號(hào)生成時(shí)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；（3）當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

測(cè)距公式為：

（1）

式中：

——兩車相距距離

——高電平持續(xù)時(shí)間

4 穩(wěn)壓電路

LM2940芯片是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，在1A電流下壓降為1.2V。LM2940有兩個(gè)版本：固定輸出版本和可調(diào)版本，固定輸出電壓為1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精度；固定輸出電壓為1.2V的精度為2%。LM2940內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。因此，該設(shè)計(jì)選用此芯片完全能夠滿足需求，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，為各個(gè)模塊輸送穩(wěn)定的電壓。穩(wěn)壓電路如圖2所示：

圖2 LM2940穩(wěn)壓模塊原理

5 報(bào)警二極管電路與報(bào)警蜂鳴器模塊電路設(shè)計(jì)

報(bào)警二極管采用普通的發(fā)光二極管，該二極管的特點(diǎn)是工作電壓低，工作電流很小，抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)，并且成本較低。通過(guò)改變流過(guò)報(bào)警二極管的電流強(qiáng)弱，可以方便地調(diào)制發(fā)光的強(qiáng)弱。

報(bào)警蜂鳴器模塊電路采用一個(gè)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，利用汽車ECU控制輸出一個(gè)一定頻率的信號(hào)。信號(hào)通過(guò)一個(gè)三極管，把信號(hào)放大，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。然后將放大之后的信號(hào)連接到蜂鳴器上，當(dāng)汽車ECU預(yù)測(cè)到險(xiǎn)情將要發(fā)生時(shí)，便產(chǎn)生一定頻率電流，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警部分裝置的設(shè)計(jì)圖如圖3、圖4所示：

圖3 報(bào)警二極管電路圖

圖4 報(bào)警模塊電路圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文是基于汽車ECU控制原理、超聲波測(cè)距原理而設(shè)計(jì)的。它能自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)距離前車的距離、速度和加速度，當(dāng)該系統(tǒng)預(yù)測(cè)到險(xiǎn)情將要發(fā)生時(shí)，發(fā)出警報(bào)提醒司機(jī)采取規(guī)避措施，防止汽車發(fā)生碰撞。本文以超聲波測(cè)距為核心，具有功能完善、性能好、電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，大大提高了汽車牽引過(guò)程中的安全性。雖然測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)，但這對(duì)于行駛的汽車來(lái)說(shuō)完全滿足要求。該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，性能可靠，工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：賀波（1993-），男，山東棗莊人，就讀于山東理工大學(xué)，研究方向：車輛工程。

（責(zé)任編輯：周 瓊）