汽車防追尾超聲波探測模擬裝置設計

張弛，顧平林

(1.蘇交科集團股份有限公司 智能交通設計研究所，江蘇 南京 210017；2.南通理工學院 汽車工程學院，江蘇 南京 226001)

引起公路交通事故的主要原因之一是駕駛員不能對車輛之間的安全距離作出準確判斷，尤其是大霧天或夜間，當發現問題緊急制動時，車輛之間的距離已小于安全制動距離，導致追尾事故。開發性能優良的汽車防追尾預警系統對降低交通事故發生率具有重要意義。

1 超聲波測距模型

常見的測距方法有超聲波測距、激光測距、CCD攝像系統測距及雷達測距等，這里采用超聲波測距方法。如圖1所示，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波接收器接收到反射波后即停止計時。根據超聲波發射和接收之間的時差按式(1)可計算出超聲波探頭與障礙物之間的距離S：

圖1 超聲波測距原理示意圖

S=C·T/2

(1)

式中：C為超聲波在空氣中傳播速度，C=340 m/s，C與溫度有關，如果測距精度要求高，則應通過溫度補償方法加以校正；T為超聲波從發射到接收所用時間。

設超聲波兩次發射-接收所用的時間分別為T1、T2，兩次發射-接收超聲波探頭與障礙物之間的距離分別為S1、S2，取第一次發射與第二次發射的時間間隔為1 s，將S1-S2定義為安全指示參數K，公式如下：

(2)

分別取高速公路安全距離180 m及行駛速度120 km/h、普通公路安全距離15 m及行駛速度30 km/h，設置表征車輛安全制動距離和安全制動行駛速度的安全系數W=安全距離/行駛速度，分別得到高速公路安全閾值W1=1.5、普通公路安全閾值W2=0.5。定義：高速公路上達到W1預警，黃燈亮；普通公路上達到W2緊急制動，紅燈亮。

2 超聲波測速測距模塊電路設計

2.1 超聲波信號發射

超聲波信號產生和發射電路由超聲波信號產生電路、超聲波信號控制電路兩部分組成，圖2為基于超聲波原理的發射裝置。

圖2 基于超聲波原理的發射裝置

(1) 超聲波信號產生電路——HC-SR04超聲波測距模塊。采用I/O口TRIG觸發測距，給予至少10 μs的高電平信號；模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；如有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間即為超聲波從發射到返回的時間。該模塊使用方法簡單，一個控制口發一個10 μs以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一旦有輸出，便可開啟定時器進行計時，當該口變為低電平時讀取定時器的值，由此計算出距離。

(2) 超聲波信號控制電路——555多諧振蕩器控制電路。超聲波發射電路通過555多諧振蕩器控制電路與外圍振蕩變阻器相連，可控制電路板，形成40 kHz多諧超聲波綜合控制電路元件。由555定時器和外接元件R6、R7、C構成多諧振蕩器，腳2與腳6相連。電路沒有穩態，僅存在兩個暫穩態。電路也不需要外接觸發信號，利用電源通過R6、R7向C充電及C通過R7向放電端DC放電使電路產生振蕩。電容C在2/3VCC和1/3VCC之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列矩形波。

2.2 超聲波信號接收

采用CX2016A半導體集成電路模塊作為超聲波接收設備的集成電路模塊，超聲波接收探頭采用RCT40。CX2016A集成電路的端口設置較好，其主要作用是對接收到的超聲波進行放大、濾波。

3 行車警示模塊電路設計

3.1 聲音-液晶顯示警示電路

聲音警示電路的工作原理：使用簡單易懂的蜂鳴器對防止汽車追尾發音警示，蜂鳴器根據晶閘管端口輸入的電壓和頻率發出聲音。聲音警示電路見圖3。

圖3 聲音警示電路

選擇LCD1602液晶顯示器作為液晶顯示警示電路，顯示電路連接見圖4。VSS連接到電源開關接地，電源線連接到電源開關，D0～D7連接到控制器的I/O口，用于顯示綜合數據；BLA和BLK作為環境背光電源插頭的外部接口，連接到相應的電源端口；V0連接一個10 kΩ電阻，由于大屏幕的對比度可調節，這個引腳的輸出電流越低大屏幕越亮。LCD液晶顯示器的最大優點是顯示清楚，控制操作方便。由于控制器最大電流強度只有20 mA，在D0和D7之間連接一個10 kΩ上拉串聯電阻R，當控制器引腳板總是顯示電平為低時，上拉串聯電阻R等于接地，同時控制器中相應引腳顯示低電平。

圖4 顯示電路連接

3.2 控制電路

控制電路見圖5。采用安全系數W=安全距離/行駛速度進行比較。單片機輸出高低電平，由DAC0808的A1～A8輸入；Pin 4腳輸出模擬信號，由運算放大器AR1放大，推動制動器。剎車系數F越大，制動強度越大，從而達到剎車的目的(見表1)。

圖5 控制電路

表1 控制信號、剎車系數與安全系數

4 防追尾超聲波探測模擬裝置

如圖6所示，防追尾超聲波探測模擬裝置主要包括超聲波測距、單片機控制及聲音-液晶顯示警示三部分。通過步進電機轉速模擬汽車的行駛速度及加、減速。該裝置的處理器系統采用單片機AT89C51，脈沖波從P3.0端口連續發射，為超聲波換能器提供動力。超聲波計時利用定時器的計算功能，記錄發射到接收所用時間T。當超聲波接收器接收到超聲波能量時在接收電路的輸出端控制該信號的輸出，且不會在INT0端產生強迫中斷的強信號，從而得到時間差。

圖6 防追尾超聲波探測模擬裝置原理示意圖

圖7(a)為防追尾超聲波探測模擬裝置實物圖，該裝置主要包括HC-SR04超聲波測距模塊、LCD1602液晶顯示器、AT89C51單片機最小系統、有源壓電蜂鳴器、ULN2003A大電流驅動列陣、28BYJ-48步進電機及綠(正常行駛)、黃(預警)、紅(緊急制動)3個指示燈。電源通電時，該裝置可檢測正常行駛、預警及緊急制動3種狀態，液晶顯示器上顯示安全距離wa、緊急制動距離st、檢測到的實際距離distance3個參數。

設定安全距離wa=1 m、緊急制動距離st=0.5 m進行試驗，結果見圖7(b)、(c)。圖7(b)中LCD1602液晶顯示器顯示檢測到的實際距離distance=43.2 cm

圖7 防追尾超聲波探測模擬裝置實物

5 結語

該文在構建超聲波測距模型的基礎上，設計超聲波測速測距模塊電路和行車警示模塊電路，采用HC-SR04超聲波模塊、LCD1602液晶顯示器、AT89C51單片機最小系統、有源壓電蜂鳴器、ULN2003A大電流驅動列陣、28BYJ-48步進電機等元件構建防追尾超聲波探測模擬裝置，通過步進電機的轉速來模擬汽車的行駛速度及加、減速，實現對汽車正常行駛、預警及緊急制動3種狀態的判斷、警示、動作。該防追尾超聲波探測模擬裝置可應用于實車或教學儀器等場合。