基于STC89C52单片机智能汽车防撞系统设计_高霏霏.pdf

第 36 卷第 1 期2023 年 2 月常 州 工 学 院 学 报Journal of Changzhou Institute of TechnologyVol 36No 1Feb 2023doi:10 3969/j issn 1671-0436 2023 01 007收稿日期:2022-03-28基金项目:安徽省教育厅高等学校科学研究重点项目(自然科学类)(2022AH052782);安徽省教育厅高等学校省级质量工程项目(2020jyxm2241);安徽省职业与成人教育学会教育教学研究规划课题(azcg20)作者简介:高霏霏(1983)，女，安徽宣城人，副教授，75297987 qq com，主要研究方向为嵌入式系统设计、高等职业教育。基于 STC89C52 单片机智能汽车防撞系统设计高霏霏(宣城职业技术学院机械与汽车工程系，安徽 宣城 242000)摘要:为提高汽车智能化，保护人们的生命财产安全，智能汽车防撞系统必不可少。文章设计的汽车防撞智能系统采用单片机 STC89C52 为主控芯片，通过红外传感器和超声波传感器双传感器进行测距，以保障检测的精确性。当检测到物体与车的距离小于设定的阈值时，系统进行声光报警并显示距离，同时主动采取有效干预模式控制汽车减速或紧急刹车，有效防止了车辆碰撞。关键词:汽车防撞系统;单片机;超声波传感器;红外传感器中图分类号:TP277;U463 6文献标志码:A文章编号:1671-0436(2023)01-0034-06Design of Intelligent Vehicle Anti-Collision SystemBased on STC89C52 MCUGAO Feifei(Department of Mechanical and Automotive Engineering，Xuancheng Vocational Technical College，Xuancheng 242000)Abstract:In order to improve the vehicle intelligence and protect peoples life and property，the intelli-gent vehicle anti-collision system is essential The intelligent vehicle anti-collision system designed usesSTC89C52 MCU as the main control chip，and the infrared sensor and ultrasonic sensor used for ranging soas to guarantee the accuracy of detection When the distance between the object and the car is detected to beless than the set threshold value，the system alerts through sound and light，displaying the distance，and atthe same time，actively takes an effective intervention mode to control the deceleration or emergency brakingof the vehicle，thus effectively preventing vehicle collisionKey words:vehicle anti-collision system;MCU;ultrasonic sensor;infrared sensor随着经济发展及人民群众出行需求的快速增长，中国道路交通运输行业快速发展。中国机动车保有量、驾驶人数量、道路里程持续增长。截至2021 年 9 月，全国机动车保有量达 3 90 亿辆，其中汽车 2 97 亿辆1。随着机动车数量的增长，交通事故也逐年增多，据国家统计局官网数据，2020年中国交通事故发生数量 244 674 起，交通事故直接财产损失金额为 131 360 6 万元。智能汽车的辅助驾驶系统能有效减少交通事故的发生，智能汽车防撞系统的高质量研究成果成为保证车辆安全的关键。在对汽车防撞系统的研究中，德国是发展最快的，日本、美国也在不断进步。德国的研究人员在奔驰汽车上使用传感器自动确定安全距离，防撞系统能主动将车辆的行驶速度控制在40 160 km/h，目前正在研究将雷达集成于车体结构的前部位置;20 世纪 90 年代，日本交通部提出 ASV 计划，制定了完善的智能汽车安全第 1 期高霏霏:基于 STC89C52 单片机智能汽车防撞系统设计辅助驾驶系统标准;美国德尔福公司率先提出的电子扫描雷达在行业内具有领先优势。与国外相比，中国对汽车防撞系统的研究起步较晚，大多数汽车防撞技术仍用于辅助驾驶员驾驶，保证当系统检测到危险情况时警告驾驶员及时采取措施以避免事故，对汽车主动安全防撞系统的研究较少2。本文从车辆主动安全性的角度出发，设计一种双传感器检测的主动防碰撞智能控制系统。该系统可通过红外线、超声波双传感器检测目标障碍物并测量距离，微处理器对采集的数据进行计算分析，根据分析结果主动采取报警、减速、制动等必要的干预模式。系统的功能实用简单，检测的准确度高，可以有效防止车辆碰撞。电路选用常规电子芯片和元件，制造成本低，在普通智能汽车车型上具有极高的普及性。1系统总体设计方案1 1系统总体设计方框图智能汽车防撞系统需要对采集的信号进行计算和分析，然后向系统的信号执行模块发出指令。智能汽车防撞系统共分三大模块:数据处理模块、信号采集模块、信号执行模块。单片机 STC89C52 作为主控芯片，和电源模块、时钟电路、复位电路共同组成数据处理模块;信号采集模块由超声波测距模块和红外线检测模块组成;信号执行模块由光电报警模块、蜂鸣器报警模块、液晶显示模块、电机控制模块共同组成，从听觉、视觉多感官给予报警提示，并由电机控制模块执行紧急处理信号。系统总体设计方框图如图 1 所示。图 1总体设计方框图1 2基于 TTC 模型的碰撞预警策略设计方案中的碰撞预警策略采用基于碰撞时间的 TTC 模型，TTC 模型是根据本车和前方障碍物之间的距离与速度比值关系进行预警的3。由于前方障碍物为动态目标，因此需要计算出本车对于前方障碍物的相对速度。t1时刻检测车与障碍物的距离为 d1，t2时刻距离为 d2，则车的相对速度为v=dt2 t1=d2 d1t2 t1式中:d 表示本车与障碍物之间的距离在 t1和 t2间的变化量。则有tTTC=d2v=d2(t2 t1)d2 d1在碰撞预警系统中，当 d 0 时，tTTC 0 恒成立，表示两车间距不断增大，这种情况不需要进行预警。当 d0 时，表示两车间距不断减小，此时需针对 tTTC的值设定不同的阈值。根据 tTTC的值不同，将预警级别划分为 3 个等级，具体的划分公式如下:WaringLevel=11 5 tTTC023 tTTC 1 53tTTC3公式中 tTTC的值为(1 5，0时，tTTC达到阈值 1，系统为一级预警，采取声光报警模式;tTTC的值为(3，1 5 时，tTTC达到阈值 2，系统为二级预警，采用主动减速模式;tTTC的值小于等于 3时，tTTC达到危险值，系统为三级预警，采用紧急刹车模式。2系统硬件设计2 1主控电路单片机 STC89C52 是智能汽车报警系统的主控芯片，该芯片由晶弘科技生产，是新一代单片机，速度快、功耗低、抗干扰能力超强，成本不高，在满足系统要求的同时开发简单。该芯片的工作电压在 3 5 5 5 V，有 3 个 16 位定时/计数器，32 个通用型 I/O 口，能充分满足外围电路和主控芯片之间的通信4。单片机接收超声波传感器、红外传感器发出的检测信号，利用程序判断是否有目标障碍物并给出处理信号，同53常州工学院学报2023 年时驱动信号执行模块;液晶显示器显示当前距离和干预模式;声光报警模块进行声光提示;电机控 制 模 块 控 制 汽 车 自 动 减 速 或 刹 车。STC89C52 单片机 P3 3 接红外测速模块;P1 7、P3 2 分别接超声波测距模块的触发信号输入端TIG 和信号输出端 Echo;P0 口 8 位接液晶显示器的位控制;P2 5、P2 6、P2 7 接液晶显示屏的输入信号;P1 0、P1 1 分别接光电报警模块和蜂鸣器报警模块;P2 0、P2 1 接电机驱动模块。主控芯片电路图如图 2 所示。图 2主控芯片电路图2 2电源模块稳定的电源供给是单片机工作的可靠保证，汽车车载电源一般是+12 V、+24 V，而单片机STC89C52 的工作电压为+5 V，因此电源模块设计采用 LM2940 电源变换器将车载电源转换后单独给单片机供电。图 3 中端口 P1 接+12 V 车载电源;S1 是电源开关;保险丝 F1 的额定电流为750 mA，可以保护电路过载;LM2940 的 1 脚接电源输入端，2 脚接+5 V 电源输出端，3 脚接地;输入端及输出端电容 C1、C2、C3对电路起稳压和滤波的作用。图 3电源电路图2 3红外检测模块红外检测模块由红外传感器 ST188 和比较器组成。电路图如图 4 所示，ST188 是由红外光电二极管和光电晶体管组成，其中光电二极管发射功率极高、光电晶体管灵敏度极高，便于采用反射式非接触式检测5。当 ST188 没有障碍物遮挡时，发射出去的红外光没有反射回来，晶体管处于截止状态，比较器 LM324 同向端电压比反向端电压高，输出高电平信号;反之，当有障碍物阻挡时，比较器输出端输出低电平信号。图 4红外测速电路图汽车行驶过程中常见的障碍物有机动车、非机动车、人等。如果仅利用单一传感器如红外传感器进行障碍物检查，数据往往不准确。这是因为机动车有发动机等发热源，发热源温度高于环境温度，红外检测模块容易识别，而人体是恒温的，人体温度与环境温度相近时不易被红外检测模块识别，非机动车没有发热源也不易被红外检测模块识别。因此，需要用双传感器，利用双传感器检测可大大提高检测的准确度。2 4超声波测距模块在汽车防撞系统研究中，常用的测距装置有雷达、激光、超声波、摄像头等。综合对比，在满足系统需求的同时，我们选择性价比最高的超声波传感器进行测距。本设计中使用的超声波传感器型号是 HY-SF05，可提供2 450 cm 距离感测功能。超声波传感器包括超声波发射器、接收器与控制电路 6，其系统框图如图5 所示。超声波测距的工作方法是超声脉冲回波渡越时间法，I/O 端口 TIG 给出不小于 10 s 的高电平脉冲信号，端口自动发送 8 个频率为 40 kHz 的方波，并检测是否有信号返回。若有信号返回，I/O端口 ECHO 输出一个高电平信号，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间 t7，超63第 1 期高霏霏:基于 STC89C52 单片机智能汽车防撞系统设计图 5超声波传感器系统框图声波在空气中的传播速度为 C，则从传感器超声波发射端到目标物体的距离 S 的计算公式为 S=12Ct。2 5电机驱动模块随着汽车市场中电动汽车的占比越来越大，为了使设计的防撞系统可以应用于更多的汽车车型，在系统设计过程中预留了电动机控制端口8。电动机控制模块电路图如图 6 所示，采用双 BTS7960B 芯片构成的全桥电机驱动电路，能很好地解决单片机端口小电流驱动电机大电流的问题。电路中 PWM1、PWM2 分别与单片机的P2 0、P2 1 引脚连接，IN1、IN2 接+5 V 电源，OUT1、OUT2 用来接电机两端。图 6电机驱动电路图2 6声光报警模块在单片机进行信号处理后如果选择声光报警干预模式，单片机驱动声光报警模块进行报警，通过视觉、听觉多感官刺激驾驶员采取紧急干预措施9。单片机 P1 1 端口输出一定频