单片机的智能汽车防撞开题报告.doc

电气与信息学院毕业设计（论文）开题报告基于单片机的智能汽车防撞报警器设计 郭方明 电子0441 邹华东 题目名称：报 告 人：专业班级：指导教师：基于单片机的智能汽车防撞报警器设计开题报告一、 课题的目的和意义自卡尔本茨(CarlBenz)于1886年发明第一辆汽车以来，世界各国陆续迈向道路交通的机动化时代，汽车成为现代文明与人类进步的象征和标志，同时也逐渐成为人们社会生活不可缺少的重要组成部分。汽车以其特有的优越性给社会生活以及生产带来了巨大的变化，使人们的出行变得方便、快捷、舒适，促进了社会生产力的不断发展，改善了人们的生活水平，为人类创造了巨大的物质财富。然而，汽车交通事故对人类造成了极大的威胁，已成为当今全球性的公害之一。据不完全统计近百年来，全球范围内因为道路交通事故而死亡的人数已达3200多万人。交通事故不仅带来人员的巨大伤亡，也造成巨大的物质损失。所以提高汽车安全性能、减少道路交通事故一直是人们普遍关注的社会问题，也是社会发展、技术进步中亟待解决的重要课题之一。随着我国公路交通运输业的不断发展和交通基础设施建设的不断加强，道路交通事故呈逐年恶化的态势，已成为交通事故发生频率最高的国家之一。据有关部门资料统计，2005年，全国公安机关交通管理部门共受理道路交通事故450254起，比2004年减少67635起，下降13.1%；造成98738人死亡，469911人受伤，直接财产损失18.8亿元，万车死亡率为7.6。而在全球，每年因为车辆碰撞所造成的交通事故人员死亡约百万人,财产损失以千亿计。所以这是一个很严峻的问题。在过去20到30年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，汽车被动安全性能的提高，虽然明显地减少了乘员的受伤程度和财产损失程度，但并不能从根本上避免交通事故的发生和真正解决道路交通安全问题。完善道路交通安全设施，健全道路交通法规，加强道路交通安全管理，以及提高交通参与者的安全意识等措施虽然也能够改善交通安全状况，但防患于未然的主动安全措施则无疑是最好的安全措施，方能真正的治理交通安全问题。 而当今随着城市车辆，尤其是私家车的增多，现代生活节奏加快，交通事故发生的频率也随之增加，为提高汽车运行的安全性，本文介绍一种单片机控制的汽车防撞报警系统。该装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与超声波的测距技术、传感器技术相结合，可检测汽车运行中后方障碍物与汽车的距离及汽车车速，通过数显装置显示距离，并由发声电路根据距离远近情况发出警告声。从而达到主动防范交通事故的发生，从本质上降低交通事故。二、 文献综述 汽车防撞控制系统的研究始于20世纪60年代，在此后的10多年时间内，以德国、美国和日本为代表的发达国家热衷于该系统的研究。但是，限于当时的微波理论水平低、硬件成本高等原因，一直没有得到突破。1986年，由德国奔驰公司发起，欧洲开始了所谓的“普罗米修斯”计划，很多机构又重新开始了研究。随着微波器件和集成技术的飞速发展，防撞系统在汽车运用领域获得了较快的发展。以德国、法国为代表的欧洲国家对毫米波雷达防撞技术研究取得了突破性的进展，如奔驰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150米，当测得的实际车间距离小于安全车间距离时，发出声光报警信号。该装置己经安装在小汽车、客车和卡车上试用多年，性能良好。 90年代以来，日本的各大汽车生产厂商均参与了运输省提出的称为先进安全汽车 ASV(Advanced Safety Vehicle)的计划。日本在制定未来汽车发展计划中也明确地把开发更复杂的智能汽车和安全驾驶支持系统作为交通安全的关键技术之一。1995年，丰田汽车公司研制了主动预防安全系统;三菱和日立公司在毫米波雷达测量技术方面也做了大量的研究;尼桑公司为41-LVZ配备了自适应巡航控制系统，该系统利用毫米波雷达作为探测传感器，为巡航驾驶提供判断信息。美国的研究相对于欧洲和日本来说起步较晚，但目前美国的汽车防撞技术己经处于世界的领先水平。美国正在进行智能车辆交通系统(NHS)的开发工作，其中先进的车辆控制系统(AVCS)是最复杂的一部分，它主要采用的是防撞预警技术。防撞预警技术的一个成功例子是车载雷达(VORAD)探测和预警系统，该系统采用的是自动毫米波雷达，这是将军事上的防御雷达技术转化为商业应用的典型实例，而成本却较低，该雷达一次可跟踪20个目标。福特公司开发的汽车防撞控制系统理论上能根据转弯的角度信息自动适应路面的转弯情况，只探测本车道内车辆的信息，从而可避免旁车道上目标物的影响。但实际上由于虚警率和价格等因素的影响，还不能达到实际运用的目的。90年代中期，我国开始跟踪国际上TS的发展。据中国科技日报报道，我国电子工业部于1997年4月12日在北京首次召开了智能交通系统发展趋势国际研讨会，讨论了在我国目前公路建设还不十分理想的情况下，必须通过高科技来改善中国交通状况。近年来，以清华大学、吉林大学、长安大学和东南大学等为代表的科研院所致力于车辆防撞控制系统的研究。与国外机构的高投入、系统性的研发相比，国内的研发机构虽多，却相对分散，而且国内的研发目前还只着眼于安全性考虑，所能实现的功能相对单一:同时国内前向探测雷达防撞控制系统的研制水平仍然比较低，还处于实验阶段。总的来说我国在汽车雷达装置上的研究起步比较晚和国际上有较大差距。尽管世界各大国都在致力开发安全可靠的汽车防撞控制系统，但是真正投入市场的实用性雷达装置远远不能满足市场的需要。我们分析一组数据:我国的汽车保有量近4000万辆，2003年产量突破444万辆。如果按保有量的30%计算，每年生产100万套，需要12年才能完成。目前，全球的汽车保有量为65000万辆，若按保有量的50%安装自动防撞控制系统，每年生产500万套进行配套的话，需要65年才能满足。可见，汽车防撞控制系统的市场潜力是非常巨大的。实施此项目，每年可以为社会避免因车祸带来的直接经济损失近40亿元人民币，间接经济损失数千亿元人民币，并可带动相关产业的发展，解决上万人的社会就业。综上，国际上防撞控制系统的研制虽然己经取得了前所未有的进展，但要理想降低交通系统的事故率还是一个漫长的过程，需要全世界的努力。而且大力研制汽车防撞控制系统等主动安全驾驶辅助装置，对解决交通安全、提高运输能力、降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失及提高社会经济效益来说具有极大的现实意义和广阔的应用前景，所以研制更可靠更安全的汽车防撞控制系统是一件具有全球意义和迫在眉睫的事情。 三、 研究（设计）内容和拟解决的关键问题1.研究（设计）内容（1）硬件系统设计 该报警器由控制系统、超声波发射电路、接收电路、测速电路、报警电路、LED显示电路组成。其中控制系统拟定用单片机AT89C2051来实现，主要完成程序的执行、数据的处理和对外部电路的实时控制。 超声波发射电路由NE555时基电路和超声波发射探头组成。单片机AT89C2051控制NE555时基电路产生40kHz的频率信号给超声波发生器，由超声波探头发射的超声波射向障碍物。利用超声波测距具有以下特点：测量灵敏度高，穿透力强，测量速度快，测量角度大，可对较大范围内的物体进行检测。 超声波接收电路由超声波接收探头、放大器和整形器组成。由障碍物反射回来的超声波经接收探头，变换为电脉冲信号，再由放大器、整形器放大和整形后送入到单片机AT89C2051。放大器宜选用有足够增益和较低噪声的宽带放大器，以保持脉冲信号尤其是前沿不发生畸变，提高测距的精度。测速电路由传感器、脉冲放大器、整形器、NE555时基信号电路、选通门组成。霍尔集成传感器将车轮转速信号变成脉冲信号输出，经放大、整形电路后送入选通门，由NE555时基电路产生的单位时基信号控制选通门的开与闭，以控制转速信号在单位时间内通过选通门，送入单片机AT89C2051，控制T1计数器计数，实现了在单位时间内的计数。 报警电路由语音集成电路和扬声器组成。AT89C2051控制语音集成电路根据测量结果，产生语音信号驱动扬声器发出相关信息。在扬声器发出语音信号时，时基电路处于暂稳态，此时电源向电容充电，从而使时基电路结束暂稳态回复到稳定状态，输出低电平，使扬声器停止发出报警声，直到下一次测距结束产生新的报警声。 LED显示电路由数码管和驱动电路组成。用两个数码管显示距离，数码管采用静态显示。（2）软件设计 本装置的控制软件要完成系统的初始化，控制触发脉冲信号的发射与接收，根据定时时间计算障碍物的距离，根据计数频率计算汽车车速，判断所测距离是否在车速所对应的安全范围内，并根据计算和判断结果产生BCD码和相应频率的脉冲信号，以驱动显示电路和发声电路。2.拟解决的关键问题本设计的关键是测量汽车与障碍物间的距离，同时车速也是限定汽车安全的一个重要指标，故拟解决的关键问题有超声波测距的设计和汽车车速的测定设计。四、 研究（设计）方案与进度计划安排1 .研究设计方案准确地测量车与障碍物间距离是智能汽车防撞报警系统开发的第一步，提高车间距离测量的精度是整个防撞系统可靠性的关键。随着电子技术的发展，越来越多的距离测量装置安装到了汽车上，先后出现了机器视觉、激光雷达、红外线及超声波等测距方式，这些传感器均可对周边的环境进行非接触探测，以获取周边其他车辆或障碍物的距离、速度等信息。但是由于各个测距传感器的最大测量距离、方向性、响应时间、成本、尺寸、环境适应性等各不相同，因此必须仔细研究以选择合适的测量方式。1）机器视觉测距用视频成像系统是以CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件)摄像机观测物体移动为基础的。物体在被观测区域横向或上下方向移动就决定了物体的位置。通常物体上需要有给图象处理软件提供物体行踪的可视条(如白色十字)。实际距离的测量取决于预先输入的详细的所跟踪物体的几何信息。它主要的优点是探测范围广、检测信息量大、能够遥测等，但是计算量大、系统的实时性较差，易受环境、气候影响、无法获得深度信息。这种方式主要用于路径识别与跟踪、障碍物识别、驾驶员状态监测、驾驶员视角增强等。由于成本高，对外界环境敏感，故在许多场合都不可能采用此项技术。2）激光雷达激光雷达有脉冲式和连续波式两种。脉冲式激光雷达采用短的、大功率红外光脉冲，根据光脉冲所需的传播时间确定被测距离。连续波激光雷达是把光调幅在约100MHz的正弦波上，根据发射光与反射光之间的相位差来推算被测距离(也称作相位法测距)。脉冲激光雷达信号处理比较容易，其应用也最为普遍。由于光束一般很集中，激光雷达主要用于大范围直线距离的测量。激光雷达量程大、方向强且响应时间快，但成本高，易受外界环境(如能见度低、传感器表面有泥土等)影响。同时，激光能量必须限制在人眼安全水平范围之内。3）红外线红外线对环境适应性好，体积小，重量轻，功耗低。但它不能很准确地确定物体的距离，分辨率低，响应时间过长，因此主要用于障碍物探测，红外成像，红外夜视等。响应时间过长使驾驶员得到的提前报警常常不足以躲避碰撞，这就限制了其在车辆碰撞报警系统的应用。红外线式传感器是基于测量传感器附近物体所发射的热能来实现测距的。红外线测距跟其它测距原理相同，都是根据发射波和反射波的总时间来确定障碍物的距离的，相比之下，技术上易于实现，测距系统的成本也比较低廉。但是对障碍物位置的准确判断还存在隐患，在恶劣天气和长距离探测方面仍然不能满足公路防撞的要求，所以从性能上来看，红外测距是很不可取的。本文开发的是适应能力强，能受到大众普遍接受的智能汽车防撞报警系统，考虑到高速公路上雾天和雨天发生的交通事故比较多，所选用的距离传感器必须在雨天、雾天和晴天都能够全天候的工作。激光雷达、连续波雷达和机器视觉探测方式虽然都能满足要求，但是从成本角度考虑的话都不适合，普遍推广难度有点大。超声波是指频率在20kHz以上的机械振动波，它是针对障碍物测距的特殊要求而发展起来的一种测距方法。超声波距离传感器一般采用独立的发射器和接收器，发射器由高频信号(4080kHz)来激励。测量发射一个超声波脉冲至接收到反射信号所用的时间间隔，便可简单地估计出被测物体的距离。数据处理简单、快速，价格低。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。所以用超声波测距完全符合我们的要求。 通过以上测量距离技术的比较，智能型汽车防撞报警系统选择超声波测距比较适合。超声波测距的原理是，通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离SCT2，其中，C为超声波波速。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。2 .进度安排计划阶段起始日期终止日期进 度技术指标第一阶段2008.03.302008.4.18完成选题和资料收集，撰写开题报告全面丰富课题内容第二阶段2008.04.192006.05.4系统设计仿真及训练符合精度要求第三阶段2008.05.52008.05.25完成硬件设计和软件编程设计合理机构化、模块化第四阶段2008.05.262008.06.21进行在线调试与仿真，撰写毕业论文实现遥控控制第五阶段2008.06.222008.06.29细化论文，准备答辩详细全面，提交论文五、预期结果和创新成果 1预期结果该智能汽车防撞报警器限定车速小于30KM/s时，安全距离大于等于1米；车速小于80KM/s时，安全距离大于等于2米；车速大于80KM/s时，安全距离大于5米。如果超出以上安全范围则自动实施报警。2创新成果本文介绍的汽车报警器，利用单片机AT89C2051作为报警装置的控制器，能充分发挥AT89C2051的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏度。该报警器基于单片机设计，从而具有体积小、使用方便的特点。若将安全距离设为0.7m , 就可作为汽车倒车报警器, 提高汽车倒车时的安全性。六、成文时间和提交成果形式 成文时间：2008年6月 提交成果：开题报告、英文翻译、设计论文、设计相关的原理图、程序七、参考文献目录1 宋建国主编.AVR单片机原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，1998；2 何希才.新型集成电路及其应用实例M.科学出版社，2002年4月；3 柴毅.智能汽车主动安全系统研究J.重庆大学博士生学位论文；4 黄继昌.传感器工作原理及应用实例M.北京：人民邮电出版社，1998；5 陈有卿等编著.555时基集成电路原理与应用M.北京：机械工业出版社，2006.3；6 康华光编著.电子技术基础模拟部分M(第四版).北京：高等教育出版社，1999；7 党宏社、韩崇昭、段战胜.智能车辆系统发展及其关键技术概述J.公路交通科技，2002年06期；8 雷辉.基于AT89C2051的智能型汽车防撞报警器的设计J.电子工程师，2003年02期；9 马娟丽.汽车防撞控制系统的研究J.中国优秀硕士学位论文全文数据库，2007；10 潘永雄主编.新编单片机原理与应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2002年；11 http:/www.ilib.cn/；12 http:/210.47.36.6/wlsjk.asp。