基于 AVR的新型防汽車追尾安全裝置設(shè)計(jì)

1 引言

隨著我國(guó)汽車保有量逐年增加，高速公路的發(fā)展使得汽車的行駛速度越來(lái)越快。車流量也越來(lái)越大，導(dǎo)致高速公路交通事故頻頻發(fā)生，其發(fā)生率甚至達(dá)到普通公路的4倍，且有上升趨勢(shì)。在高速公路所發(fā)生的交通事故中尤以汽車追尾居多，約占30%～40%，而在這些事故中，80%以上的事故是由于司機(jī)反應(yīng)不及時(shí)或者判斷失誤引起的。由于目前只有高檔車型才配有防碰撞裝置，而且以往設(shè)計(jì)中只單純考慮在車前或車后安裝防碰撞裝置，不盡全面，所以設(shè)計(jì)一套低成本、通用性好的汽車防車前車后追尾的安全裝置具有廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。因此。這里提出一種基于AVR的新型防汽車追尾安全裝置設(shè)計(jì)。

2 安全裝置組成和硬件電路設(shè)計(jì)

安全裝置硬件電路設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制、加速度傳感器、激光雷達(dá)、LED剎車燈及電源等電路組成，如圖1所示，裝置車載狀況如圖2所示。

2.1 單片機(jī)ATmega8L

該設(shè)計(jì)選用高性能、低功耗單片機(jī)ATmega8L，它是基于先進(jìn)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位CMOS 工藝微控制器，器件內(nèi)部集成有模擬比較器，6通道1O位(TOFP與MLF封裝為8通道)的A/D轉(zhuǎn)換器，3個(gè)具有比較模式的靈活定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，512字節(jié)的EEPROM，片內(nèi)/外中斷，5種可通過(guò)軟件選擇的睡眠模式，以及8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲(chǔ)器(可隨時(shí)在線編程)，易于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和更新。同時(shí)，ATmega8L可達(dá)到接近1 MIPS/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍，并且該器件價(jià)格不高，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供靈活且低成本的解決方案。另外，ATmega8L的工作電壓為2.7~5.5 V，非常適用于那些電壓波動(dòng)較大的場(chǎng)合。

2.2 加速度傳感器MMA7260QT與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用加速度傳感器MMA72600T，測(cè)量加速度。該器件采用MEMS原理制作的低成本、低功耗、單芯片集成XYZ三軸感應(yīng)加速度傳感器，可準(zhǔn)確測(cè)量0~350 Hz、±6 g范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)加速度，還能夠監(jiān)測(cè)車體微小震動(dòng)和整車的傾斜角度。該器件內(nèi)部集成了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并提供4個(gè)量程(1.5g、2 g、4 g、6 g)可選，2.2～3.6 V單電源供電，工作電流小于500μA，休眠模式下最低供電電流僅為3μA。

MMA7260QT加速度傳感器采集汽車加速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)ATmega8L的PD7(AIN1)端口傳輸至ATmega8L，其具體連接電路如圖3所示。

圖3中，當(dāng)Xout輸出和閾值電壓比較匹配時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出模擬比較器中斷，單片機(jī)轉(zhuǎn)向LED剎車燈閃爍中斷子程序處理，采用這種方式可節(jié)省系統(tǒng)資源。Xout與PD7引腳之間的RC具有濾波作用，用于減小時(shí)鐘噪聲，在電源和地之間加入去耦電容。另外，實(shí)際焊接安裝時(shí)應(yīng)保證加速度傳感器MMA72600T盡可能地靠近微控制器ATmega8L放置。

2.3 霍爾車速傳感器

霍爾車速傳感器由8級(jí)磁鋼、UGN-3030T型霍爾開(kāi)關(guān)傳感器、LM2917及放大電路組成，如圖4所示。

圖4中，汽車傳動(dòng)部分帶動(dòng)8級(jí)磁鋼旋轉(zhuǎn)，由于磁場(chǎng)變化使得8級(jí)磁鋼每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器便產(chǎn)生8個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器處理輸出到頻率/電壓轉(zhuǎn)換器LM2917，由單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)LM2917輸出電壓測(cè)量當(dāng)前汽車時(shí)速。

2.4 激光雷達(dá)測(cè)距

測(cè)距方法主要有超聲波、激光雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)等，基于成本和設(shè)計(jì)需求考慮，激光雷達(dá)測(cè)距是最佳選擇。激光雷達(dá)測(cè)距有連續(xù)波和脈沖波兩種方式，本設(shè)計(jì)使用脈沖波方式。安全裝置發(fā)出脈沖狀的紅外激光束照射前方，并利用汽車后部可反光部件(以汽車號(hào)碼牌為主)的反射光，通過(guò)受光裝置檢測(cè)反射光，單片機(jī)根據(jù)時(shí)間差計(jì)算出其距離。

該部分電路由發(fā)光部、受光部、信號(hào)調(diào)理電路等組成，最終輸出信號(hào)由系統(tǒng)單片機(jī)處理。由于激光雷達(dá)發(fā)射光束集中，采用單一發(fā)射方式無(wú)法有效檢測(cè)前方一定距離，故在汽車前方安裝3個(gè)激光雷達(dá)測(cè)距模塊，如果其中一個(gè)模塊檢測(cè)到的距離小于該時(shí)刻最小允許距離，安全裝置將報(bào)警，即能夠及時(shí)檢測(cè)到插入車流的車輛并警報(bào)，如圖5所示。

2.5 LED剎車燈

該設(shè)計(jì)中，剎車燈由發(fā)光二極管陣列組成，發(fā)光二極管選用Evedight公司生產(chǎn)的1 W高亮度LED，其響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)，而普通車燈的熱啟動(dòng)時(shí)間約250 ms。假設(shè)汽車時(shí)速為90 km/h(即25 m/s)，通過(guò)計(jì)算可得反應(yīng)迅速的LED剎車燈可提早約6 m距離發(fā)出剎車警告，從而有效避免汽車追尾。將LED放置成內(nèi)、中、外三圈形狀。當(dāng)單片機(jī)根據(jù)加速度傳感器的輸入信號(hào)得到加速度值超過(guò)設(shè)定的閾值后，單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)ULN2003驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，LED剎車燈響應(yīng)后由內(nèi)一中一外一內(nèi)循環(huán)點(diǎn)亮，由于其亮度高、響應(yīng)快。在實(shí)際使用中效果良好。另外，該部分電路需與汽車剎車裝置聯(lián)動(dòng)，以確保準(zhǔn)確輸出剎車信號(hào)。

2.6 液晶顯示

該設(shè)計(jì)采用并行128x64液晶屏，雖然占用較多的I/O端口，但并行傳輸便于編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，如果系統(tǒng)單片機(jī)不能提供足夠的I/O端口，可選擇串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊壕э@示屏。另外，為了讓司機(jī)能夠更方便地看到設(shè)計(jì)系統(tǒng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，應(yīng)將顯示設(shè)備放置于司機(jī)主控臺(tái)視線合理位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制部分由ATmega8L控制完成，主要功能為：計(jì)算本車速度、車間距離，測(cè)定加速度，并通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示;實(shí)際車間距離和安全車間距離的比較發(fā)出報(bào)警聲或報(bào)警燈閃爍;剎車時(shí)的加速度與設(shè)定閾值相比，決定是否點(diǎn)亮LED剎車燈，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

在加速度測(cè)定中，考慮到汽車行駛當(dāng)中的振動(dòng)和噪聲等影響信號(hào)輸出，還需進(jìn)行必要的軟件濾波處理，這里采取數(shù)據(jù)平均值方法。據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》，安全行車距離與行車速度關(guān)系模型如下：當(dāng)v≥100 km/h時(shí)，S>100 m;當(dāng)v100 km/h時(shí)，S>vt/1 000 m;其中，S為安全行車間距，單位為m;v為本車時(shí)速，單位km/h;t為每小時(shí)。高速公路上S>50 m。軟件設(shè)計(jì)主程序代碼如下：

car_speed();//汽車時(shí)速監(jiān)測(cè)，返回值為i

lcd_display(i，1);//第一行實(shí)時(shí)顯示車速

car_distance();//車距監(jiān)測(cè)，返回值為j

lcd_display(j，2);//第二行實(shí)時(shí)顯示車距

car_cmpl(i，j);//比較車距與安全車距，確定是否報(bào)警

#pragma interrupt_handler ana_comp_isr：17

car_acc();//加速度監(jiān)測(cè)，返回值為k

car_cmp2(k);//實(shí)際加速度與設(shè)定閾值的比較，確定是否點(diǎn)亮LED剎車燈

主程序在車輛開(kāi)啟后一直循環(huán)執(zhí)行，直至車輛電源關(guān)閉。

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用功能模塊化技術(shù)，易于操作及擴(kuò)展;選用性價(jià)比較高的器件，具有良好的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，對(duì)于汽車防追尾具有重要意義。另外，設(shè)計(jì)所采用的加速度傳感器還可作為汽車防盜的震動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。