1、ABSTRACTAutomotive industry and the electronics industry is the industrys two giants along with the automotive and electronics industries continue to develop and progress in the modern car more and more widely used in the electronics automotive electronics higher and higher degree of Now transport d
2、irection is toward high-density development electronics control technology is further used in the car driving safety and navigationWith the continuous development and progress of society more and more family vehicle traffic accidents also grow with each passing day traffic safety is paid more and mo
3、re attention the automobile anti-collision alarm system also emerge as the times requireThis paper takes AT89S51 microcontroller as the core anti-collision alarm system design of automobile and with the help of DSP technology to realize the low cost high precision ranging measurement function of the
4、 FMCW frequency modulated continuous wave radar design but also the principle of electromagnet magnetic poles repel the deceleration achieve the collision effect The collision warning system in millimeter wave radar for target detection while expanding the tracking and recognition to the target the
5、track-while-scan radar target detection theory put forward collision warning system is a multifunctional automobileThe system has strong adaptability broad application space of course also need to be further developedKey wordsAT89S51microcontroller DSP electromagnet millimeter wave rad目录1 111课题的提出及意
6、义 112课题研究现状 113课题研究内容和预期目标 221设计方案的选择 422设计方案的总体结构 523汽车防撞报警系统的工作原理 113 汽车防撞报警系统的硬件设计 1331单片机的选型 1432 DSP芯片的选择 1533发射前端电路 1534中频放大电路 1535 AD转换电路 1636 LED显示电路 1637声光报警电路 1738电磁铁减速单元模块电路 1839电源电路设计 194 汽车防撞报警系统的软件设计 2141 主程序 2142控制程序流程设计 235 结论 2651 硬件调试 2652 软件调试 2653仿真实验 2754 测试结果 2955设计存在的不足 2956 总
7、体结论 29附录 311汽车防撞报警系统硬件整体电路图 312汽车防撞报警系统软件程序 32参考文献 39致谢 401 引言课题 随着人们生活水平的不断提高我国汽车的保有量逐年增加各类交通事故频频发生其中汽车碰撞事故占大部分因此汽车防撞报警是亟待解决的问题欧洲科学家专门做过一项研究驾驶员只要在碰撞危险发生前的05秒内得到预警就至少可以避免60的追尾事故30的迎面碰撞事故和50的路面相关事故如果有一秒钟的预警时间将会避免90的交通事故1若在恶劣天气条件下能见度低视距小汽车高速行驶时很难发现前方的障碍物并及时制动2从经济方面我国的桥梁高速公路等的运行受天气的影响较大为保障汽车运行安全遇到恶劣天气时
8、就以限制车速或关闭道路来达到安全的目的这样将影响道路的通过能力 除了造成巨大的经济损失外 使本来拥挤的道路更加阻塞 在过去的二三十年里人们主要把精力集中在汽车被动安全性方面的研究例如在汽车前部或后部安装保险杠在汽车外壳周围安装某种弹性材料在车内相关部位安装安全带及安全气囊3以减轻汽车碰撞带来的伤害所有这些安全措施都不能从根本上解决汽车发生碰撞时造成的问题汽车碰撞的主要原因是由于汽车距障碍物的距离太近而相对速度太高造成的因此大力研发汽车防撞报警装置等主动式汽车安全装置减少驾驶员的负担与判断错误对于提高交通安全起到重要的作用显然此类产品的研发具有极大的现实意义和广阔的应用前景近年来汽车的自动调速4
9、防撞监测自诊断导航系统得到了广泛的应用12课题研究现状交通事故具有不可预知性为减少其发生数优化日常的交通秩序如何更好地利用已有的计算机与信息技术提升道路的交通安全与效率成为了国内外的研究热点人们普遍认为80年代后开展的智能化交通的系统研究是解决各类交通安全问题的有效途径5智能化交通系统把信息技术6电子的控制系统通讯数据的传输系统和计算机的处理系统更加合理地应用在运输管理的体系里7使得人车路与环境协调的统一建立起了一个准确实时高效的综合运输的管理系统8视觉系统对智能化车辆起到了环境探测与辨识作用9同其他的传感器比较机器视觉的信息检测量大以当前条件来解决问题会导致系统的实时性较差10通过计算车辆和
10、目标之间的相对距离并利用自适应的滤波对检测的数据进行相应处理减少了环境所造成的检测误差11汽车防撞报警系统对提高汽车行驶安全十分重要从1971年始在国内外相继出现了超声波雷达激光机器视觉红外以及交互式智能化等防撞报警系统的研究或者产品近几十年美日西欧各国的汽车制造企业投入了巨资相继成功地研究出了单脉冲雷达系统与调制连续波雷达系统以上两种体制下的雷达防撞报警系统已应用在了国外的某些汽车企业的高档汽车中但因为其成本较高而并未得到更加广泛的运用12近些年来价格低廉且高性能的DSP芯片已经出现其推动汽车防撞报警雷达技术的研究与发展更上一步使得汽车防撞报警雷达系统可以在普通的汽车中得到应用与普及由于受到
11、经济技术水平等因素的影响我国在汽车防撞报警技术上的研究起步较晚因此相对于国外防撞报警系统的研究水平我国的车用防撞报警系统的研制水平仍然较低但在这方面的研究已经得到业界的高度重视同时随着汽车制造产业竞争的日趋激烈客户对汽车各项技术的要求愈来愈高愈来愈多样化同等价位的汽车若拥有的功能越强大就越能占领市场引领汽车产业的发展趋势传统的汽车防撞报警系统由于仅具有单一的防撞报警功能而不能满足市场的需求因此需要拓展其它功能如对目标的跟踪和识别功能等一旦加入这些功能势必会增加研发成本不利于参与市场竞争发展汽车的防撞报警技术对于提高汽车的智能化有着重要的意义1313课题研究内容和预期目标本文志在研究一种新型多功
12、能的汽车防撞报警系统它具有传统防撞报警系统的预警功能又有新的功用目前国内外运用到汽车上的防撞报警系统主要是以车辆为中心研究大部分都集中于环境信息感知安全距离判定和报警方式等方面本文将设计了一款多功能新型汽车防撞系统使系统在未增加太多成本的基础上改善传统防撞报警系统功能过于单一的缺点使汽车防撞报警系统多功能化有利于汽车产业的发展已有的防撞报警系统主要是根据测定结果通过语音来提醒驾驶员人为地减速达到了安全行驶的目的但高速行驶中的汽车具有很大的惯性刹车距离会较长完全依靠驾驶员的人为减速特别是当司机疲劳或无法集中自己的注意力时很难达到较好的安全行驶效果因此本文添加了自动的辅助减速防撞装置使汽车能自主提
13、前减速以达到安全驾驶目的此设计以AT89S51单片机为主控单元用毫米波雷达测距当汽车与其他汽车或障碍物的距离小于设定的安全距离时就启动语音报警装置提示司机减速同时启动电磁铁减速装置此装置成本低设计简单能够起到辅助减速的目的2 汽车防撞报警系统的总体设计21目前汽车防撞报警系统的目标探测方式主要包括激光超声波红外等不同目标探测方式的工作过程和工作原理不同但它们的主要目都是通过返回的探测信息判断车辆和本车间的相对距离根据两车车距的危险性程度做出预防措施下面对不同的探测方式进行介绍和比较1激光探测方式激光具有单色性高方向性和相干性好等优点因此激光波束具有近似直线性扩散少波速能量集中传输的距离远等特点
14、汽车防撞报警系统采用激光探测技术的工作原理 首先本车装备激光雷达其发射的激光波束照射到前车反光镜然后测定反射回来的激光波束的到达时间依据激光波束从发射到返回的时间差来判定两车的距离激光测距的精度高技术上已有了很大的进步但在汽车防撞领域其应用具有局限性因为激光测距方式受到天气状况车辆的震动及反光镜表面磨损污染等因素的影响较大测距精度很难保证所以在汽车防撞领域该测距方式没得到应用2超声波探测方式超声波是一种特殊的声波具有反射折射等声波传输过程中的基本的物理特性而超声波测距就是利用了其反射的物理特性其工作原理与声纳的回声定位原理相似产生超声波的发射器不断地发射出某频率下的超声波当遇到了被检测的物体后
15、被反射而超声波的接收器会接收到反射来的信号并将其转变成电信号再测量出发射波与反射波之间的时间差值根据声速就可求出距离而超声波测距存在一个大问题即探测的距离较短而且会受到天气状态的影响因此超声波测距在像倒车雷达的近距离的测距等方面应用较广3红外线探测方式红外线测距的工作原理与激光超声波测距的相似都是依据发射波与反射时间判定目标物的距离而红外线的测距方式在技术从面上的难度并不大构成测距系统的成本低廉但在恶劣气候和长距离的探测方面还是不能满足车辆防撞报警的目的4毫米波探测方式毫米波即波长在110mm内的电磁波运用了毫米波的雷达测距方式其原理和以上的各种测距方法相似但却能克服其他几种的探测方式的不足对
16、于毫米波雷达而言其主要的特征是1 探测性能比较稳定毫米波雷达不受被测体的表面形状和颜色等影响对于大气的气涡紊流等现象具有良好的适应性2 对于环境的适应性强毫米波具有较强的穿透能力它的测距精度受到雾雨雪和阳光等的天气因素与噪音污染等的环境因素的影响比较小可以保证汽车在任何的天气情况下都能正常地运行从上述比较可以发现毫米波的雷达测距方式比其他的方式具有更高的优越性它可以适应车辆防撞报警系统的需求另一方面运用毫米波的雷达测距方式不仅可以测量出目标距离而且还可以测量出目标体的各种参数如相对速度和方位角等这使汽车能够在恶劣的气候条件里达到盲行的目的另外在测量条件相同的情况下若使用毫米波雷达就会具有结构比
17、较简单分辨率高和天线部件尺寸小的优点因此本文选择毫米波雷达为测距方式可以很好的实现防撞报警系统的功能同时也可以实现其他功能22设计方案的总体结构本系统利用DSP技术高密度算法的能力14其对反射信号可进行快速处理并准确计算出两车间的相对速度和相对距离然后将其同传感器实时检测的行车速度与制动次数传送给AT89S51实时准确的判断行车安全状态利用AT89S51控制信号的优势并将判断结果通过控制报警信号显示传达给司机达到监测行车安全的目的同时安装在车前和车后的电磁防撞装置也会起到作用即使司机没有采取措施也会自动减速制动其整体设计框图如图1图1 整体框架图汽车防撞报警系统的整体设计分为传感器单元主控单元
18、信号发射接收单元回波信号放大滤波单元AD 转换单元DSP 模块报警显示单元电磁铁减速单元等8大模块传感器单元主要包括车速传感器制动开关与节气门位置传感器等车速传感器选用了霍尔传感器来测量速度制动开关与节气门位置传感器用来测量司机每10s内的动作次数测定节气门曲线信息确定司机的驾驶特征15提高了系统的准确性和实时性主控单元其功能主要是记录并分析周围车辆或障碍物信息和本车信息根据系统安全车距建立的数学模型并且在获取各种传感器信息基础上对所有获取的信息进行计算处理及分析实时判断车辆行驶时的安全状态并且把处理的结果发送给报警显示模块单元判断是否发出报警提醒驾驶员采取相应措施同时主控单元也会控制电磁铁减
19、速单元采取辅助减速措施达到减速制动的目的保证驾驶员的行车安全报警显示单元该单元由发光二极管蜂鸣器和LED液晶显示屏组成当主控单元通过数据分析确定存在安全隐患时就会产生中断信号传输给三极管并驱动蜂鸣器发出报警声提醒驾驶员采取必要的措施保证行车安全同时系统显示装置中的发光二极管闪烁LED液晶屏显示出相对距离和危险状态信号发射接收模块单元DSP编码产生三角波电压其控制压控振荡器 VCO 产生了调频连续波信号通过天线向外发射本系统利用毫米波雷达的回波信号测量车辆距离与速度对于发射信号频率的稳定性与线性度的要求较高因此采用了集成的微波组件当作发射接收模块单元将回波信号和发射波的信号混频得到了中频的差拍信
20、号在输出回波信号的放大滤波模块单元实际情况下发射接收单元发射功率小所以当信号波在空气中传播的时候会迅速减弱到达了目标并且反射回来的雷达的回波信号的功率也会较小因此需要进行放大才能完成后续任务回波信号要通过高增益的对数的放大器放大信号再通过了隔离滤波和放大信号后送至数模转换器AD转换单元我们用到的DSP系统不识别模拟信号只能对数字信号进行分析和处理因此我们需要将模拟信号转换成数字信号在规定的时间里将模拟信号处于某一时刻内的幅度值变换成一个相对应的数字的信号数据最后把该数据送达DSP系统进行相应处理7 DSP模块单元1DSP系统产生的调制信号会使得压控振荡器进行工作并产生出调频连续波向外发射调制信
21、号为一系列调制三角波如图2所示它表示的是理想三角波其最大幅度是5V周期是1000us但该三角波的实际直线性也不是太理想我们可以采用平滑技术方法来改善调制波信号的直线性 V 5 0 2T t图2 理想三角波2压控振荡器经过调制向外发射一系列的三角波其回波信号亦是三角波两者关系如图3所示 f fu fi t- fc fi t fL T 2T 3T F 图3 对比图图中T是调制周期fc是载波中心频率K为斜率为延迟时间3 确定信号频率与信号的频谱分析信号频谱分析主要包括FFT法和非FFT法FFT法即对分析信号进行傅立叶变换就是从时域变换到频域在频域内进行分析必要时要经过傅立叶逆变换变回到时域的分析方法
22、非FFT变换方法就是通过其他某种途径获得信号频率参数的方法像最大熵法各有千秋经过综合考虑方法的各种特性对于毫米波雷达而言我们应首选FFT法对DSP系统来说FFT法较成熟容易实现预期目的4 DSP系统直接控制步进电机来实现天线的扫描工作从而得到了障碍物相对于毫米波雷达的方位信息天线扫描角度不是360度而是依据给定角度不停循环DSP系统会通过某个方波信号控制扫描方向方波信号在高电平时从左向右扫描低电平时从右向左扫描而DSP系统通过另一个延迟方波信号确定天线扫描位置高电平表示天线在右边区域低电平表示天线在左边区域8电磁铁减速单元汽车防撞主要包括正面防撞和追尾防撞两类每一种方式除包括同一车道上的相撞外
23、还可能存在与其他车道上车辆的左右侧相撞具体示意图如图4甲 车行驶 方 车头 N极向 排 斥 乙 力 车 车头 N极 行 驶 方 向a 正面防撞图 甲 向 车尾 N极 排 力 乙 车头 N极b 追尾防撞图图4 示意图图4 a 表示甲车和乙车相向行驶示意图两车车头的防撞装置中的毫米波雷达测距单元不断监测两车距离当系统检测到两车车头距离达到了事先设定的极限距离时就会启动各自车头中的电磁铁减速单元如图4电磁铁都作为N极出现两车之间会产生排斥力达到辅助自主减速的目的从而起到防止车辆正面相撞的效果图4 b 表示甲车和乙车同向行驶的情况若存在车辆追尾风险即乙车的车速较快时乙车车头与甲车车尾的防撞装置中毫米波
24、雷达测距单元检测到两车车距小于事先设定的极限距离时分别向各自的主控单片机发出信号主控单片机立即下达启动电磁铁减速单元的指令使乙车车头与甲车车尾中的电磁铁减速单元工作即将乙车车头与甲车车尾中的磁极设为N极因此就产生了排斥力起到减速效果使两车避免了追尾事故的发生同理除了图4中 a 和 b 两种情况外安装在车辆左右两侧的毫米波雷达可以探测到相邻车道中的车辆实时检测车距并发送信号给主控单元当车距达到预设极限值时启动电磁铁减速装置也就起到了左右侧防撞的效果通过毫米波雷达测得相邻汽车之间的距离结合主控单片机同事先设定的极限距离作比较后如果得到距离过近的结果主控单片机启动语音报警单元和电磁铁减速单元一方面提
25、醒驾驶员减速另一方面利用同名磁极相互排斥进行自主减速起到了汽车防撞的目的23汽车防撞报警系统的工作原理我们根据测距原理不同将毫米波的雷达测距方式分为脉冲的雷达测距方式与调频的连续波的雷达测距方式两种1 脉冲雷达测距脉冲测距原理 图5所示 是通过检测发射的脉冲信号和目标反射的信号之内的时间差在结合了毫米波传播速度计算出两车车距R16 C为光速 公式1脉冲雷达测距方式的原理简单主要工作是判断出发射信号与反射信号间的时间差但在具体技术的实现方面存在着一定难度其主要问题是对脉冲雷达测距系统来说当与目标物距离较近时可知发射的脉冲信号与接收的脉冲信号间的时间就会非常小这就要求系统必须应用高速信号处理技术也
26、就使近距离测距变得非常复杂使成本大幅上升因此该测距方式的实用性不强2 调频连续波雷达测距与脉冲雷达测距相比调频的连续波雷达测距具有发送功率低信号处理的复杂度低和成本低的优点现在汽车的防撞报警系统的研究中正得到了越来越广泛的运用因此本文将以调频的连续波雷达作为测距方式1测距原理雷达系统会通过天线来向外发射出一系列连续的调频的毫米波然后接收目标物反射来的信号并且发射波频率会随时间按照调制电压规律而变化而反射波和发射波形状相同不同点是有一个延迟时间与目标物距离R的关系也可用公式1来表示2测速原理当反射信号来自一个相对运动的物体反射信号波中就包括一个由目标物相对运动所产生的多普勒频移fd那么依据多普勒
27、原理目标物的相对速度可用式2表示v 公式2公式中f0是发射波中心频率是发射波波长 T图5 示意图车辆在行进过程中车辆四周防撞装置中的毫米波雷达测距单元处在工作状态当雷达检测到本车与其他汽车或障碍物的距离小于预设的安全距离时系统会发送信息到主控单片机主控单片机会发送相应指令到语音报警单元以提醒驾驶员采取相应的措施同时车辆电磁铁减速单元将收到主控单片机的启动指令汽车间相应的电磁铁减速单元将迅速启动电磁铁减速模块单元可都设定为同名N极由于同名磁极相互排斥使汽车能够自主减速有效避免了汽车相撞事故的发生如果未达到预设距离那么电磁铁单元不会启动汽车处在正常行驶状态此时毫米波雷达测距单元处于监测状态3 汽车
28、防撞报警系统的设计图6 硬件框架图31单片机的选型与其他单片机相比AT89S51单片机是一个功耗低性能高的CMOS 8位单片机内部含有8位微处理器128B RAM4 KB Flash ROM4个8位的可编程并行IO口1个全双工的异步串行口2个可编程的16位定时器计数器1个看门狗定时器中断系统有5个中断源5个中断向量26个特殊功能寄存器低功耗节电模式有空闲模式和掉电模式3个程序加密锁定位片内的4 KB ISP可反复读写1000次其采用了ATMEL公司高密度非易失性存储技术兼容了标准的MCS-51指令系统和80C51的引脚结构芯片内部集成通用8 位的中央处理器与ISP Flash 存储器单元因此A
29、T89S51单片机可以为多种嵌入式的控制应用系统提供了高性价比解决方案如图7所示图7 AT89S51引脚图与AT89C51单片机相比其具有的优点是1新增了在线的可编程的功能灵活的在线编程方式使得现场编程调试与修改更加的方便灵活其将数据的指针添加到了两个便于对片外的RAM访问的过程新增了看门狗的定时器提高系统抵抗干扰的能力增加掉电标志增加掉电状态中的中断的恢复模式32 DSP芯片的选择本文的DSP芯片选用了TI公司32位的定点数字信号处理器TMS320F281217芯片此芯片的功耗低 内核是18VI O口的电压是33 V 其可以有效的减少了可携带式系统的功耗 此芯片也具有1个高速同步串行的外设接
30、口SPI其能够与AT89S51单片机连接并进行数据的通信工作AT89S51单片机采用5V的工作电压端口IO引脚可允许 5 V输入信号电压每一个I O口都与SPI总线连接33发射前端电路图8 发射前端电路图中电容C1C2和电感L1构成了LC整流滤波部分IN4742稳压管D1就起到了稳压保护作用34中频放大电路图9 中频放大电路图中Q1R2和R3构成基本的共射放大稳压管D1起到保护作用C1隔离直流C2和R2起到电压负反馈的作用35 AD转换电路图10 AD转换电路36 LED显示电路本文所设计的系统的显示模块是采用了LCD显示其测距数值的TC1602的显示容量是2行也就是16个字液晶显示屏的优点是功耗较低体积较小显示的
