基于AVR单片机的安全车距智能预警系统研究*

时间：2024-08-31

朱磊高荣杨志健朱学莉

(苏州科技学院机电工程系，苏州 215009)

0 引言

随着人们生活水平的提高，道路上的车辆越来越多，交通事故也呈不断上升的趋势.据统计，我国每年死于交通事故的人数高达10万人，直接经济损失近30亿，汽车的安全性已成为人们关注的重点.如何降低汽车交通事故的发生率，已成为世界汽车工业的重要课题［1－3］.

本项目利用超声波传感器实时监测汽车前后的障碍物，根据系统的设定值，当汽车与障碍物之间的距离过小时，就会发出报警信号，提醒驾车者采取刹车、减速、变道或警示后车等办法，以确保行车安全.

1 汽车安全的基本概念

汽车安全系统可分为主动安全系统和被动安全系统.主动安全系统的主导思想是提高车辆行驶的稳定性，或者在危险到来前提醒驾驶员.防抱死制动系统(ABS)、电子稳定系统(ESP)、牵引力控制(TCS)及电子制动力分配(EBD)等底盘控制系统都属于主动安全系统.在汽车产业发展初期，汽车安全在很大程度上依靠驾驶技术，而主动安全系统可在危险发生前，对事故隐患进行干预，最大程度地减少危险.

被动安全系统是减少事故损害的一种措施，在事故发生后起到提升安全系数的作用，在发生危险时，保护驾乘人员，以及车外被事故影响到的人.被动安全系统主要包括安全带、安全气囊等.目前，在我国安全气囊和防抱死制动系统已成为轿车标准配置.

如何保证安全系统更可靠，无疑是消费者最为关心的问题，而如何避免事故发生显然具有更积极的意义，因而汽车主动安全系统更为人们所关注.因为主动安全是预防事故的发生，更能保证驾车及乘车者的安全，防患于未然.研究表明，主动安全产品的研究与应用将是未来汽车安全产品的发展趋势［4］.

2 安全车距预警系统研发

在本项目研究中，车载预警装置以AVR单片机为核心，以超声波传感器作为测距单元，可通过LCD点阵式液晶显示器显示实时数据，并通过蜂鸣器进行报警提示.软件部分采用WinAVR开发环境，使用C语言编程，几种技术平台实现了无缝连接.

安全车距智能预警系统主要由AVR单片机、点阵式LCD显示器、超声波传感器，加速度传感器等几部分组成，系统的结构原理如图1所示.

图1 安全车距预警系统结构原理

2.1 超声波测距原理

超声波具有较长的传播距离和较缓慢的能量衰减，且指向性强，因此在工业领域中超声波得到了广泛的应用，如设备现场位置监控，管道或井深长度探测、医疗设备、机器人行走线路探测及汽车倒车距离探测等.与激光测距技术相比，超声波探测有成本低廉、测距方法简单、设计方便、计算简单等优势，特别是超声波可通过多种介质传输，使超声波距离探测得到了广泛的应用.

超声波测距的方法有多种，如往返时间检测法、相位检测法及声波幅值检测法等，本项目采用往返时间检测法.其测距原理是:超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同一时刻开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时.超声波在空气中的传播速度与空气温度有关(见表1)，因此，根据计时器记录的时间和温度传感器检测到的空气温度，就可计算出发射点距障碍物的距离，其原理参见图2.

表1 超声波传播速度和空气温度之间的关系

假定L为被测物体到测距装置之间的距离，计时器记录的时间为t，空气温度为C，v为超声波在介质中的传播速度，则可通过式(1)计算出被测物体到测距装置之间的距离.

式中，C的单位为℃;t的单位为 s，v=331.4+0.607C，是考虑了温度对超声波传播速度影响因素的一个速度修正算式;v的单位为m/s.

2.2 硬件的选择

(1)超声波传感器. 超声波传感器分为电气和机械方式两类.超声波传感器实际上是一种能量转换器，在发射端它把电能或机械能转换成声波能，接收端则将所接收到的声波能转换回电能或机械能.本项目采用压电式超声波传感器，利用压电晶体的谐振进行工作.

图2 往返时间检测法测距原理

(2)ATmega 128单片机. ATmega 128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器.由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega 128的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾.

ATmega 128具有如下特点:128 K字节的系统内可编程Flash，4 K字节的EEPROM，4 K字节的SRAM，53个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，实时时钟RTC，4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器(T/C)、2个USART，面向字节的两线接口TWI，8通道10位ADC(具有可选的可编程增益)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，SPI串行端口，与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口(此接口同时还可以用于片上调试)，以及6种可以通过软件选择的省电模式.空闲模式时CPU停止工作，而SRAM，T/C，SPI端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持;省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态(参见ATmegal 128单片机数据手册).

(3)点阵式LCD显示器. 本系统采用点阵式LCD显示器作为人机界面.点阵式LCD显示器具有功耗低、体积小、质量轻、超薄和可编程驱动等其他显示器件无法比拟的优点，不仅可显示数字、字符，还可以显示汉字及各种图形、图片，可实现屏幕上下左右滚动、动画、反转显示、显示闪烁多种功能，已成为智能仪器仪表和测试设备的首选显示器件.LCD按点阵排列顺序，将每个像素的色彩值以规定的方式把整个图片记录下来.

2.3 硬件设计

系统的硬件由单片机最小系统、超声波探测、LCD显示器几部分组成.

(1)单片机最小系统. 单片机最小系统主要由以下部分组成:①78 L 05稳压器，提供系统所用的5 V电源;②JTAG仿真接口，使用JTAG ICE仿真器调试程序;③EEPROM存储芯片，存储各种历史数据;④RTC温度传感器，用于辅助计算探测距离;⑤加速度传感器，使用I2 C接口与单片机通信，用于辅助判断危险等级;⑥轮速传感器，用于辅助判断危险等级;⑦蜂鸣器模块，用于报警提示;⑧超声波发送/接收电路，将40 kHz PWM信号放大发送，并由接收部分电路接收返回信号，触发单片机捕捉中断.

(2)超声波检测部分. 超声波检测电路由超声波发射模块、超声波回波信号接收模块、单片机处理器三部分组成.发射模块用来产生超声波，模块采用可控高压电源设计方案.回波信号接收模块由回波信号整理电路和信号采集电路组成.其主要功能是接受来自被测障碍物的超声回波，通过回波信号调理电路和信号采集电路实现对回波信号的放大、滤波及数据采集.

(3)LCD显示器部分电路. LCD显示器部分的电路原理如图3所示.由图3可见，LCD与单片机的接口电路采用直接访问方式，即把显示器模块作为I/O设备直接挂在单片机总线上，单片机通过对I/O口的操作间接实现对模块的控制.

图3 LCD显示器部分的电路原理图

图4 系统的软件流程图

2.4 软件开发

智能预警系统的软件流程如图4所示.由ATmega 128单片机实时采集各种数据，计算并判断前后发生碰撞的可能性，并通过LCD显示器和蜂鸣器提醒驾驶员注意.

系统使用计时器中断实现1ms精度的时间控制，每隔100 ms进行一次距离探测，发出40 kHz的PWM波并通过接收捕获中断获得传播时间，并计算出前后障碍物的实际距离.在每个程序周期内，系统会根据采集到的轮速信息、加速度信息、障碍物实际距离等，分别计算出前后方障碍物与汽车的碰撞时间，根据碰撞时间，系统会设定不同的告警等级，如普通报警、严重报警，并设置控制蜂鸣器的PWM频率，以实现不同的蜂鸣器提示.