汽车安全驾驶系统信息感知技术分析

李兆丰

虹软科技股份有限公司，浙江省杭州市，310052

摘要：现阶段，汽车已成为日常生活中必需的代步工具。汽车数量的增多导致了各种交通事故。保持汽车安全的行车距离是避免交通事故的有效手段。因此本文在针对汽车安全驾驶系统信息感知技术进行分析基础上，设计了一款汽车行车安全距离监测系统。本研究以STC89C52为主要核心，整合其他硬件设施，实现单片机通过超声波测距模块测得距离，将距离显示在屏幕上。用户可以通过按键设置安全距离阈值，一旦实测距离小于了预设阈值，系统就会驱动报警，提醒安全行车。本研究是将信息感知技术生活化的一次尝试，经过调试本系统具有较好的实用性，可以满足实际需求。

关键词: 汽车安全驾驶系统；单片机；超声波测距；报警

1 引言

随着科学研究的深入，汽车安全驾驶系统信息感知技术取得了巨大的进步。在众多的信息感知技术中，对于汽车行驶中测量精度的要求越来越高，同时也催生了一系列的测距方式。其中超声波测距是目前非常流行的测距方式。超声波是一种利用频率高于20KHz的声波去测量的方式。相比于传统的方式，该方式具有测量精度高，成本低，容易操作，可维护性强等一系列的特点，正受到越来越多人的青睐。超声波测距的原理比较简单，主要是利用机械波在传播过程中遇到障碍物会发生反射和折射的现象，发射端可以记录和计算往返的时间进而得到距离值。本课题通过接收超声波的反射信号，通过计算往返时间就可以确定汽车行车安全距离。

本次研究的汽车安全驾驶系统信息感知系统主要是以STC89C52为主要核心，整合其他硬件设施，实现单片机通过超声波测距模块测得距离，将距离显示在屏幕上。用户可以通过按键设置安全距离阈值，一旦实测距离小于了预设阈值，那么系统就会驱动报警，提醒安全行车。

2汽车安全驾驶系统信息感知系统技术概述

2.1汽车安全驾驶系统信息感知系统原理

汽车安全驾驶系统信息感知指在驾驶车辆时，前方突然出现一些障碍物，系统能够自动探测是否会发生碰撞，当车辆将要发生碰撞之前，能够及时采取合理的处理机制的系统。若通过测算得出的结果是发生碰撞的可能性比较大的情况，系统就会发出报警声对驾驶员进行快速及时的警示。系统还能在发生碰撞时的自动采取有效措施，若碰撞没有办法避免的情况时，就会迅速的收紧安全带、启动刹车的方式来减轻碰撞带来的危害。

汽车安全驾驶系统信息感知系统的工作原理主要是通过前方监控系统对前方进行的探测，该系统可以帮助避免与前方障碍物发生碰撞，当发动机重新启动时就会保持激活状态，与其他的辅助驾驶系统一样，汽车安全驾驶系统信息感知系统并不能代替驾驶员操作，只是对驾驶时起到辅助驾驶的作用，降低发生碰撞事故的概率，主要是通过雷达进行工作，位于车辆的前端，雷达传感器能够在有效的监视区域内连续发射信号，如果有障碍物或者车辆出现在这个区域内，车辆就会反射雷达波束，并对反射过来的波束进行分析，能够测量出前方障碍物的距离。

2.2汽车安全驾驶系统信息感知系统控制措施

具体控制措施主要包括：当前侧雷达传感器检测到面临碰撞危险的时候，系统会向驾驶员发出警告；在避免不了碰撞且车辆制动力不足的情况下，系统能够自己施加制动力，帮助驾驶员能进行制动；即将发生危险情况时驾驶员不能够及时反应或者未及时发现的情况下，系统就会自动触发制动模式，系统还会通过自动收紧安全带等措施来达到避免对车内乘员造成伤害或降低伤害的程度的目的；若车辆突然发生侧滑现象，系统能提前识别并自动关闭车窗玻璃，防止外来物体进入车内，对车上人员造成伤害。

3系统方案选择与整体设计

3.1 系统方案选择

3.1.1 主控制器方案选择

方案一：使用FPGA控制。

FPGA是近几年新兴起的一种核心控制器。FPGA采用与或门组成，具有高速、保密性好等特点，但是目前FPGA技术使用比较复杂，使用Verilog语言或者VHDL语言开发，不仅开发流程长，工序复杂，同时价格非常的昂贵，因此一般用于军工领域和火箭航天等领域。如果使用FPGA将会有大量的资源被闲置，不是很适合本课题的需要，所以考虑使用其他的方式。

方案二：使用单片机控制，随着集成电路技术和半导体工艺的设计，目前单片机的功能越来越强大，单片机的产品目标很明确，关于民用和军工都有明确的区分。同时单片机技术比较成熟，各大半导体厂家生产的单片机都具有兼容性好，结构稳定，价格低廉等一系列的特点，所以很适合嵌入式领域使用。在本设计中主要需要超声波测距信号，显示设置的距离阈值以及驱动报警。使用STC12C5A60S2单片机已经可以满足要求。所以综合成本和性能单片机是一个非常好的选择。

3.1.2 显示模块方案选择

为了实现更好的人机交互界面，需要设计显示模块，显示当前的状态。

方案一：采用数码管显示。虽然数码管价格较低，使用起来也比较简单，但是在进行多位数据显示的时候，连线和驱动变得非常复杂，电路的功耗也增加了很多。同时，由于数码管只能显示数字不能显示文字，可以承载的信息量有限，人机交互方面也比较差，所以无法显示各种预设阈值等提示信息。另外数码管的显示效果也比较差，所以使用数码管显示的方案不是特别好，本课题考虑其他的方案。

方案二：本研究采用LCD1602液晶显示。LCD1602液晶具有功耗低，可以显示多行内容等特点，并且成本很低，驱动简单，所以在很多场合都有非常广泛的应用。

3.2 系统整体设计

整个系统的主要可以分为单片机最小系统，按键模块，超声波模块，显示模块和报警模块几个部分组成。系统的整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

4系统硬件设计

4.1 单片机系统设计

单片机的本质是一个微型的计算机系统，内部具有CPU,RAM,ROM和定时/计数器等资源。本系统选用的是宏晶公司推出的STC89C52。该单片机具有40个引脚，晶振频率为11.0592MHz或者12MHz.支持通过串口直接烧录程序。同时该单片机具有5个中断源，支持外部中断，串口中断和定时计数器中断等。

而单独的单片机是无法工作的，必须要给单片机配备时钟电路才能实现稳定的时钟。单片机的时钟频率直接决定了芯片的机器周期和指令周期。晶振电路一般是使用石英晶体和电容组成振荡电路。本研究中使用30pf的电容配合11.0592MHz的石英晶体共同构成单片机的晶振电路。晶振电路与单片机的第18,19两个引脚相连。两个个引脚分别为XTAL1和和XTAL2。

低端的单片机一般采用裸机控制的方式，没有操作系统对硬件设备的管理，这时候需要有一种方式使得单片机从错误状态中恢复到初始化状态。所以单片机的芯片提供了一个RST复位管脚，该管脚高电平有效。本系统设计了两种复位电路，分别是上电复位和按键复位。其中按键复位可以让设计中随时使系统进入到复位状态。上电复位是每次整个系统上电的时候都会首先复位然后再进行程序执行的操作。本系统通过外接上拉电阻到5V电平上，然后上电之后可以直接复位，用户也可以通过按键进行手动复位。在本系统设计的复位电路中，当按键被按下，系统通过10K的上拉电阻将单片机的RST引脚电平拉高，实现按键复位。当单片机一上电的时候，系统可以实现自动复位。

4.2 超声波模块设计

超声波测距模块是本课题选用目前很常用的HC-SR04，该模块的工作原理简单，不需要外围电路就可以实现自动的检测。在使用过程中，本课题利用单片机的管脚给超声波模块10us以上的高电平信号，模块就可以自动的发送8组40KHz的方波信号，自动检测是否有信号返回，当有信号返回时，会输出高电平到单片机管脚上，这样单片机在发出驱动超声波模块工作的高电平信号后迅速的开始计数，等接收到超声波模块返回的高电平后结束计时，测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。超声波模块与单片机管脚的P2.1和P2.2两个引脚进行连接。

4.3 按键模块设计

本研究了方便使用，设计按键控制电路，用户可以较为方便的实现安全距离的设置。本系统使用三组按键开关，分别代表进入设置模式，安全距离增加和安全距离减少的操作。按键设计是共地设计，由于单片机引脚默认电平为高电平，所以当有某个按键被按下，单片机管脚就会被拉低，这时候单片机就可以获知有按键被按下。本设计中按键模块分别于单片机P1.0,P1.1和P1.2三个管脚相连。

4.4 显示模块设计

本系统使用LCD1602液晶模块显示预设阈值和实测安全距离。LCD1602是一种常用的液晶显示模块，本系统使用的10K的电位器来实现液晶背光调节。LCD1602液晶与单片机的P0口相连。

4.5 报警模块设计

为了完成实测距离超出预设阈值系统可以驱动报警的功能，本系统加入了蜂鸣器，由于单片机的管脚电平较弱，因此需要接入一个三极管进行放大，这样报警声更大，可以更好地提醒用户进行注意。蜂鸣器的管脚与单片机的P2.0连接。

5系统软件设计

5.1 软件开发平台与开发语言

5.1.1开发语言

C语言是目前非常流行的语言之一，在与硬件相关的驱动程序编写中，C语言具有举足轻重的地位，是硬件开发相关工作中主要开发语言。

5.1.2Keil软件

关于嵌入式的开发设备有很多，比如TI公司的IAR可以进行430单片机的开发，CCS可以作为DSP芯片的开发。Keil编译器是最广泛的单片机开发工具之一，该编译器支持多种单片机的开发。同时具备完善的调试功能。用户可以在开发过程中自由设置断点和单步调试等操作。

5.2 软件设计流程图

系统的执行过程较为清晰。首先系统上电，进入到初始化状态。这时候用户开始设置系统阈值，系统开始测距，并将测量到的距离实时显示，一旦实测距离小于预设阈值，那么就会驱动蜂鸣器进行报警。系统的软件设计流程图如图2所示。

图2软件流程图

6系统调试

整个系统在硬件电路完成之后，编写驱动程序，由于系统的稳定性未知，因此需要进行进一步的调试才能满足实际需要，本研究先根据设计的电路图来设计和焊接实际的硬件电路，在硬件电路设计好之后，开始着手软件部分的程序编写。将编译通过的程序烧录到单片机中，然后对系统上电，观察系统的实际运行效果吗，研究表明本系统运行良好，可以正常的工作。

结语

有效提高当前我国各种汽车产品和自身的公路行驶环境安全也已经日益成为当前汽车行业安全最重要问题，只有真正彻底地减少或预防消除了以上各种重大交通事故隐患，才能有效实现人民的平安健康的出行方式，并享受的现代汽车道路行驶安全给普通汽车车主日常生活、工作和学习带来的巨大工作生活便利。本研究对汽车安全驾驶系统信息感知技术进行了分析，设计了一款汽车行车安全距离监测系统，得到了良好效果。

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