基于AVR單片機的新型防汽車追尾安全裝置設計

1 引言

隨著我國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越快。車流量也越來越大，導致高速公路交通事故頻頻發(fā)生，其發(fā)生率甚至達到普通公路的4倍，且有上升趨勢。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反應不及時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，而且以往設計中只單純考慮在車前或車后安裝防碰撞裝置，不盡全面，所以設計一套低成本、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用和市場前景。因此。這里提出一種基于AVR的新型防汽車追尾安全裝置設計。

2 安全裝置組成和硬件電路設計

安全裝置硬件電路設計主要由單片機控制、加速度傳感器、激光雷達、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ATmega8L

該設計選用高性能、低功耗單片機ATmega8L，它是基于先進的AVR RISC結構的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轉換器，3個具有比較模式的靈活定時器／計數(shù)器，512字節(jié)的EEPROM，片內(nèi)／外中斷，5種可通過軟件選擇的睡眠模式，以及8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器(可隨時在線編程)，易于產(chǎn)品設計和更新。同時，ATmega8L可達到接近1 MIPS/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高出10倍，并且該器件價格不高，為許多嵌入式控制應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較大的場合。

2．2 加速度傳感器MMA7260QT與單片機接口設計

該系統(tǒng)設計選用加速度傳感器MMA72600T，測量加速度。該器件采用MEMS原理制作的低成本、低功耗、單芯片集成XYZ三軸感應加速度傳感器，可準確測量0~350 Hz、±6 g范圍內(nèi)動態(tài)或靜態(tài)加速度，還能夠監(jiān)測車體微小震動和整車的傾斜角度。該器件內(nèi)部集成了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術，并提供4個量程(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Xout輸出和閾值電壓比較匹配時，系統(tǒng)發(fā)出模擬比較器中斷，單片機轉向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，用于減小時鐘噪聲，在電源和地之間加入去耦電容。另外，實際焊接安裝時應保證加速度傳感器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級磁鋼、UGN－3030T型霍爾開關傳感器、LM2917及放大電路組成，如圖4所示。

圖4中，汽車傳動部分帶動8級磁鋼旋轉，由于磁場變化使得8級磁鋼每轉一圈霍爾傳感器便產(chǎn)生8個脈沖信號，經(jīng)放大器處理輸出到頻率／電壓轉換器LM2917，由單片機的A／D轉換器根據(jù)LM2917輸出電壓測量當前汽車時速。

2．4 激光雷達測距

測距方法主要有超聲波、激光雷達、連續(xù)波雷達等，基于成本和設計需求考慮，激光雷達測距是最佳選擇。激光雷達測距有連續(xù)波和脈沖波兩種方式，本設計使用脈沖波方式。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(以汽車號碼牌為主)的反射光，通過受光裝置檢測反射光，單片機根據(jù)時間差計算出其距離。

該部分電路由發(fā)光部、受光部、信號調(diào)理電路等組成，最終輸出信號由系統(tǒng)單片機處理。由于激光雷達發(fā)射光束集中，采用單一發(fā)射方式無法有效檢測前方一定距離，故在汽車前方安裝3個激光雷達測距模塊，如果其中一個模塊檢測到的距離小于該時刻最小允許距離，安全裝置將報警，即能夠及時檢測到插入車流的車輛并警報，如圖5所示。

2．5 LED剎車燈

該設計中，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，其響應時間為納秒級，而普通車燈的熱啟動時間約250 ms。假設汽車時速為90 km／h(即25 m／s)，通過計算可得反應迅速的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。當單片機根據(jù)加速度傳感器的輸入信號得到加速度值超過設定的閾值后，單片機輸出信號經(jīng)ULN2003驅動繼電器動作，LED剎車燈響應后由內(nèi)一中一外一內(nèi)循環(huán)點亮，由于其亮度高、響應快。在實際使用中效果良好。另外，該部分電路需與汽車剎車裝置聯(lián)動，以確保準確輸出剎車信號。

2．6 液晶顯示

該設計采用并行128x64液晶屏，雖然占用較多的I／O端口，但并行傳輸便于編寫驅動程序，如果系統(tǒng)單片機不能提供足夠的I／O端口，可選擇串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊壕э@示屏。另外，為了讓司機能夠更方便地看到設計系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)，應將顯示設備放置于司機主控臺視線合理位置。

3 系統(tǒng)軟件設計

控制部分由ATmega8L控制完成，主要功能為：計算本車速度、車間距離，測定加速度，并通過LCD實時顯示；實際車間距離和安全車間距離的比較發(fā)出報警聲或報警燈閃爍；剎車時的加速度與設定閾值相比，決定是否點亮LED剎車燈，系統(tǒng)軟件設計流程如圖6所示。

在加速度測定中，考慮到汽車行駛當中的振動和噪聲等影響信號輸出，還需進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)《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》，安全行車距離與行車速度關系模型如下：當v≥100 km／h時，S>100 m；當v100 km／h時，S>vt／1 000 m；其中，S為安全行車間距，單位為m；v為本車時速，單位km／h；t為每小時。高速公路上S>50 m。軟件設計主程序代碼如下：

car_speed()；／／汽車時速監(jiān)測，返回值為i
lcd_display(i，1)；／／第一行實時顯示車速
car_distance()；／／車距監(jiān)測，返回值為j
lcd_display(j，2)；／／第二行實時顯示車距
car_cmpl(i，j)；／／比較車距與安全車距，確定是否報警
#pragma interrupt_handler ana_comp_isr：17
car_acc()；／／加速度監(jiān)測，返回值為k
car_cmp2(k)；／／實際加速度與設定閾值的比較，確定是否點亮LED剎車燈

主程序在車輛開啟后一直循環(huán)執(zhí)行，直至車輛電源關閉。

4 結束語

該設計采用功能模塊化技術，易于操作及擴展；選用性價比較高的器件，具有良好的應用和市場前景。設計方案切實可行，對于汽車防追尾具有重要意義。另外，設計所采用的加速度傳感器還可作為汽車防盜的震動信號監(jiān)測。