基于激光测距的汽车安全报警装置的设计.docx
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基于激光测距的汽车安全报警装置的设计
基于激光测距的汽车安全报警装置的设计
摘要
随着社会经济的发展，汽车工业与电子工业飞速发展，汽车的数量也大幅攀升。
每年汽车销售8000多万辆，保有量超过6亿辆。
在用的车辆越多，拥挤状况也越严重，随之而来的是屡次的撞车事故，造成了不可避免的人员伤亡和经济损失。
汽车安全成为一个社会问题，为了减少汽车事故的发生率，设计一种可靠性高，响应快且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行，激光测距是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用激光测距设计的一种汽车防撞报警系统。
论文的内容是利用AT89S51单片机开发的汽车安全报警系统的设计，主要是利用激光的特点和优势，将激光测距系统与AT89S51单片机结合为一体，设计出一种基于激光测距的汽车安全报警系统。
该系统采用激光探测技术，是一种声光电一体的智能汽车防撞产品，在出现跟车距离小于安全距离的紧急情况时，发出警报，提醒驾驶员采取减速或制动措施，从而达到有效预防追尾碰撞事故发生的目的，提高汽车的主动安全性能。
关键词：
汽车，单片机，报警，激光测距
Designofautomobilesafetyalarmdevicebasedonlaserranging
Abstract
withsocietydevelopmentoftheeconomy,autoindustryandelectronicindustrydevelopatfullspeed,theautomobilequantityalsoclimbsalitrebylargemargins.Theautomobilesellsmorethan80,000,000everyyear,preservesandownsamountsareexceeding600million.Thevehicledependingonusingiscrowdedincreasinglyexcessively,statuscan'texceedgrave,beingthatuptobutcomingfrequentlysmashuptheaccident,hasbroughtaboutinevitablepersonnelcasualtiesandeconomiclosses.Automobilesafetybecomesasocialproblem,theoccurrenceratefordecreaseautomobileaccident,theearlywarningsystemdesigningonekindofreliabilityheight,respondingtoapproximatelyandcomparativelyeconomicalautomobileanticollisionisimperative,laserdistancemeasurementisthemostcommononekindofonekindofautomobileanticollisionwarningsystemitisthedistancemeasurementmakinguseoflasertodesignthatfromwhendistancemeasurementmethod,themainbodyofabookintroducethat.ThatthethesiscontentisthedesignmakinguseofdevelopmentautomobileofAT89S51monolithicmachinesafetytowarningsystem,istomakeuseoflasercharacteristicandadvantagemainly,warningsystemcombininglaserdistancemeasurementsystemAT89S51monolithicmachinebeinganintegralwhole,designingoutonekindoflaserdistancemeasurement-basedautomobilesafety.Besystem'sturntoadoptlasertosoundatechnology,beonekindofopto-electronicanintegralwholeofsoundintelligenceautomobileanticollisionproduct,sendoutawarningtoduringtheperiodoftheemergencybeingatadistanceofwithvehiclefromwhenbeingsmallerthansafetyappears,remindthepilotadoptsthemeasurereducingthespeedorbraking,achieveeffectivethecollisionaccidentpreventingfromrear-endinghappenpurposethereby,improveactivesafeautomobilefunction.
Keywords:
car，monolithicmachine，alarming，laserdistancemeasurement
目录
第一章概述1
1.1课题研究背景和意义1
1.2汽车防撞技术的发展1
1.3国内外研究现状1
第二章汽车安全报警系统设计3
2.1汽车安全报警系统的设计原理3
2.2汽车安全报警系统的设计方案3
2.3汽车安全报警系统的总体框图3
第三章激光测距传感器简介4
3.1激光测距传感器工作原理4
3.2激光测距传感器介绍5
3.2.1技术参数6
3.2.2与单片机连接6
第四章系统的具体设计与实现7
4.1AT89S51单片机概述7
4.2AT89S51单片机引脚说明7
4.3AT89S51单片机外围电路的设计9
4.3.1复位电路9
4.3.2晶振电路9
4.3.3电源电路10
4.4声音报警模块11
4.5LED显示模块12
第五章软件设计14
第六章结论16
参考文献17
致谢18
附录19
第一章概述
1.1课题研究背景和意义
在过去的几十年中，人们把主要的精力集中于汽车的被动安全性方面[1]，例如，汽车的前部或后部安装保险杠、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害，但是这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。
假如在被动安全措施上不能达到目的，那么我们可以从汽车主动安全性能上做文章，从而解决汽车去安全问题。
汽车发生事故的原因很多是因为汽车速度过快[2]，在与障碍物距离较短时，司机的反应时间很短从而导致了事故的发生。
我们发展汽车防撞技术就是为了能够避免此类事故的发生，汽车防撞装置可以在任何时间，任何条件下开启，当出现紧急情况可以发出报警，使司机有足够的时间去处理。
1.2汽车防撞技术的发展
随着科学技术的发展，计算机发展尤为迅猛[3]，利用计算机及信息技术来提高道路交通安全和效率已成为国内外研究的热点。
利用传感器发展汽车防撞技术成为各大汽车公司的主流。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于汽车行业。
在现在的防撞技术中，倒车防撞技术已经相当成熟，很多的汽车公司[4]，例如日本的本田，丰田公司，宝马公司都已经将倒车防撞技术安装的汽车上面。
但是目前在汽车行驶过程中利用传感器测量与障碍物之间的距离研究还远远不够，国内目前生产的中远距离测量普遍达不到要求[5]，表现在最远测距距离近，测距误差大，远远不满足公路安全车距离要求，需进一步研究。
1.3国内外研究现状
二十世纪八十年代以后展开的关于智能交通系统的研究[6]，被认为是解决各种交通问题的一个很好的途径。
智能交通系统是将先进的信息技术[7]、通讯数据传输系统、电子控制系统以及计算机处理系统有效地应用于整个运输管理体系[8]，使人、车、路环境协调统一，从而建立一个全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统[9]。
其中智能车辆系统涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域。
视觉系统在智能车辆中起到环境探测和辨识作用[10]。
与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大，单纯以当前的现实条件出发解决，容易导致系统实时性差[11]。
根据计算车辆与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减少环境的不稳定性造成的测量误差[12]。
利用信息感知、动态辨识、控制技术的方法提高安全性，是先进汽车控制与安全系统（AVCSS）的主要研究内容[13]。
丰田汽车公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测[14]，当两车距离小于设定值时，系统将发出报警信号提醒本车驾驶员。
日产汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的车距监测系统对跟车距离进行动态监测，当需要减速或制动时，用制动灯亮来提醒驾驶员，并及时监测驾驶员操纵驾驶踏板的踏踩状态[15]。
三菱和日立公司在毫米波雷达防撞方面也做了大量的研究，其雷达中心频率主要选择60～61GHZ或76～77GHZ，探测距离为120m，尼桑公司为41LV-Z配备了自适应巡航控制系统[16]。
由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。
国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于汽车行业。
美国的汽车防碰撞技术已经相当先进，福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统的工作频率为24.725GHZ,探测距离约106m。
仅探测本车道内车辆的信息[17]，从而可避免旁车道上目标物的影响。
戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够自动引发制动装置。
戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示，车速以每小时32.18公里/小时的速度行驶，在距离障碍物2.54㎝的地方停下来。
德国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究[18]，特别是奔驰、宝马等著名汽车生产厂商，其采用的雷达为调频毫米波雷（FrequencyModulationContinuousWave）[19]，频段选择76~77GHZ。
如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为150m，当测得的实际车间距离小于安全车间距离时发出报警信号,该系统已经得到应用。
第二章汽车安全报警系统设计
2.1汽车安全报警系统的设计原理
本设计是以AT89S51单片机控制的汽车安全报警系统。
该装置将单片机的实时控制及数据处理功能与激光测距技术相结合，可检测汽车运行中与前方障碍物的距离，通过LED显示装置显示距离，当被测距离大于设定上限值是，LED不显示，蜂鸣器不报警，当被测的距离小于设定的数值时，由蜂鸣器发出警告声。
整个系统由单片机AT89S51控制，激光测距传感器采用收发一体式，根据其内部原理可以分为两个模块，分别是一支激光发射模块和一支激光接收模块。
激光信号通过发射模块发射到空气中，遇被测物反射后激光被激光接受模块接收。
进行相关处理后，与单片机就进行串行通信产生中断，计算中间经历的时间，就可得出相应的距离。
报警系统根据LED显示的距离发出报警。
2.2汽车安全报警系统的设计方案
该系统采用AT89S51单片机与激光测距传感器的组合。
系统主要有以下几个部分组成：
激光发射模块，激光接收模块，LED显示和报警，电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。
该系统的工作原理：
激光信号通过发射模块发射到空气中，遇被测物反射后的激光被激光接受模块接收。
进行相关处理后，与单片机进行串行通信产生中断，计算中间经历的时间，就可得出相应的距离。
报警系统根据LED显示的距离发出报警。
2.3汽车安全报警系统的总体框图
第三章激光测距传感器简介
3.1激光测距传感器工作原理
激光测距的原理：
在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，光脉冲发射到目标后一小部分激光反射到测距点被光功能接收器接收。
设目标距离为R，激光脉冲往返经过的时间为t，光在空气中传播的速度为c，则测距公式如下：
R=ct/2。
实际脉冲激光测距机是利用时钟晶体振荡器和脉冲技术起来测定时间间隔t的。
时钟即晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲振荡（T=1/f），脉冲计数器的作用是对晶振产生的电脉冲个数进行计数。
激光测距传感器的工作原理：
先有激光发射模块也就是激光二极管，对准发射目标发射激光脉冲，经障碍物反射后的激光向各个方向散射，一部分被反弹回来的激光由激光接受模块接受，然后成像反映到光学系统（雪崩光电二极管）。
雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。
记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
如图所示：
图3-1激光脉冲示意图
3.2激光测距传感器介绍
汽车安全报警装置的传感器选用的是深圳市精测瑞科工业技术有限公司生产的DMC-30激光测距传感器。
DMC-30激光测距传感器是一款远距离测量的激光测距传感器。
它精度高、稳定性好而且便于操作。
它被广泛的应用于工业自动化智能管理、起重机防碰安全系统、监控信号触发控制、超高压线路防碰线保护系统、汽车防碰撞安全控制、干滩监控系统、运动物体位置监控等领域。
本传感器采用了激光发射模块和激光接受模块，激光处理模块一体化设计，这样可以使设计更加简便。
DMC-30激光测距传感器是一款短距离的小型化的经济型的激光测距传感器。
它精度高、稳定性好而且便于操作。
它采用了优质光学系统、进口高性能器件、精密结构及人性化的操作软件.传感器具有良好的防护性能，能够有效地防尘、防水。
简单的安装方式便于融入和集成于任何系统中。
该激光测距传感器结构原理图如图所示：
图3-2激光测距传感器原理图
3.2.1技术参数
所选用的激光测距传感器的参数如表所示：
表3-1传感器的参数
3.2.2与单片机连接
AT89S51单片机内部有一个功能强大的全双工的异步通信串行口，激光测距传感器与单片机采用串行通行方式，两者之间串行接受、发送数据可同时进行，大大提高了传输通信的效率。
图3-2与单片机连接示意图
第四章系统的具体设计与实现
本设计采用以AT89S51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89S51芯片、时钟电路、复位电路、LED显示、激光测距传感器5部分组成。
4.1AT89S51单片机概述
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机。
片内4KBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。
芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4KBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入、输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
4.2AT89S51单片机引脚说明
该系统采用以单片机为核心的报警装置，下面简单介绍以下单片机的引脚功能。
图4-1所示为单片机40引脚双列直插形式，简单介绍一些重要引脚的功能。
图4-1单片机引脚示意图
（1）电源与时钟引脚：
Vcc（40引脚）：
接+5V电源
Vss（20引脚）：
接地
XTAL1（19引脚）：
接外部晶体的一个引脚，是一个反相放大器的输入端
XTAL2（18引脚）：
接外部晶体的另一端，接至反相放大器的输出端
（2）控制引脚：
RET（9引脚）：
高电平有效，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平就可以完成复位操作
ALE（30引脚）：
输出为地址锁存允许信号
EA（31引脚）：
低电平有效，访问内外程序存储器的选择控制端
PSEN（29引脚）：
程序存储器允许输出控制端
（3）I／O口引脚
AT89S51单片机共有4个双向的8位并行I／O端口，分别记作P0~P3，共有32根口线。
P0、P1、P2端口使用简单不再一一介绍，重点介绍P3端口。
P3口的某一引脚既可以作为通用的I／O使用，有可以根据需要，使用它的第二功能，为系统提供一些控制信号。
P3口的第二功能定义如表所示：
表4.1P3口的第二功能
端口引脚
功能特征
P3.0
串行输入口（RXD）
P3.1
串行输出口（TXD）
P3.2
外中断0（INT0）
P3.3
外中断1（INT1）
P3.4
定时/计数器0的外部输入口（T0）
P3.5
定时/计数器1的外部输入口（T1）
P3.6
外部数据存储器写选通（WR）
P3.7
外部数据存储器读选通（RD）
4.3AT89S51单片机外围电路的设计
本毕业设计的89S51单片机控制电路的外接电路包括单片机的晶振电路、复位电路和电源电路。
4.3.1复位电路
单片机AT89S51作为主控芯片，控制整个电路的运行。
单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。
AT89S51的RST引脚为复位引脚，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平，即可实现复位。
复位通常有上电复位和按键复位两种方法。
本设计采用的是按键复位，当按下按键后，电容被短路，RST引脚就处于高电平，就可以达到复位的目的。
复位电路工作原理：
当按下S1时电容C7短路，R2为防止电容放电，RST此时为高电平；不按S1时，由于电容通交流阻直流，RST仍为低电平。
图4-2复位电路
4.3.2晶振电路
89S51单片机内含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体后，构成自激振荡器，所以89S51单片机正常工作时需要外接晶振和微调电容，本设计的单片机的晶振电路的外围电路由一个12MHZ的晶振和两个22PF的电容组成。
图4-3晶振电路图
4.3.3电源电路
（1）该报警系统采用汽车蓄电池供电，汽车蓄电池提供12V的直流电压，但是该系统中部分的芯片要求用5V的直流电压，所以用到7805进行稳压。
12V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为汽车报警器的主电源。
电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。
同样电容C3为滤波电容，C4为高频旁路电容。
R1为限流电阻，LED1为5V电源指示灯。
电源电路原理图如图4-4所示。
图4-4电源电路
（2）选用的传感器的电压一般要求是9V，所以还要用7809将汽车蓄电池的电压进行转换。
电容C8，C9作为滤波电容，R3为限流电阻，LED2为9V电源指示灯。
电源电路原理图如图4-5所示。
图4-5电源电路
4.4声音报警模块
在很多车上装备防撞系统，用于减少车辆在驻车、倒车和低速行驶时发生撞车的概率。
仪表板上有指示灯指示车辆与障碍物的距离，在车辆与障碍物十分接近时有指示灯和声音报警。
本设计中采用一个蜂鸣器，由P20输出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前经过一个三极管9012的放大。
声音报警的电路连接图如图4-5所示。
图为报警器电路，R6,R10为限流电阻，当P2.0口输出高电平是，三极管Q1.1截止，此时由于2为高电平，LED与扬声器没有电流流过，即LED不亮，扬声器不响；当P2.0口输出低电平时，三极管Q1.1导通，LED与扬声器有电流流过，即LED亮,扬声器响起
图4-6报警电路模块
4.5LED显示模块
本设计显示模块采用LED显示所测距数值,采用数码管动态显示。
数码管分为共阴数码管和共阳数码管，本系统中使用共阴数码管，其工作原理为：
公共端接地（低电位），然后给abcdefg各段赋予高电位，即可显示不同的数值显示。
单片机通过P0口输出数字300的二进制代码，给数码管赋予了段值，再通过P2端口将数码管位选通，数码管就可以显示出所测量的距离。
原理：
P2.4～P2.7口为高电平时，三极管截止，S1～S4为低电平，数码管位选通；P2.4～P2.7口为低电平时，三极管导通，S1～S4为高电平，对P2.4～P2.7口赋予高电位或低电位可以选择不同位的数码管亮。
显示如图4-6所示：
图4-7LCD显示电路图
第五章软件设计
本系统采用汇编语言编程，系统程序包括主控程序、T1中断服务子程序、INT0中断服务子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和报警子程序设计等。
主程序流程图如图5-1所示。
图5-1主程序流程图
图5-2总流程图
第六章结论
利用AT89S51单片机设计的激光测距报警系统便于操作、读数直观。
该系统工作稳定，能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比。
本设计系统可广泛应用于小距离测量。
激光测距传感器能很好的接收和发射信号，很大程度上降低了汽车周围实物的干扰性，提高抗干扰性，确保所测数据的准确性。
在编写程序是出现很多问题，主要是对C语言开发单片机不熟练，大学单片机课程主要采用汇编，但是现在主流是C语言开发，这让我以后在学习单片机是找准方向.C语言功能强，使用灵活，可读性强，以后在学习中，还要必须的掌握C语言。
通过本设计我学到了很多在实际操作中的知识：
（1）AT89S51各个管脚的功能。
（2）LED显示段选和位选的控制。
（3）每个模块的电路图的功能。
（4）运用C语言开发单片机。
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