基于磁鐵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型主動(dòng)式汽車防追尾裝置設(shè)計(jì)

種宏江+張文強(qiáng)（等）

摘 要：通過(guò)對(duì)高速公路追尾碰撞事故原因的分析，提出了通過(guò)固定于車身頭部與尾部的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使前后兩車之間通過(guò)排斥力減緩沖力，避免汽車追尾的原理，確定了汽車防追尾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了由測(cè)距模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、人機(jī)接口和磁鐵模塊等組成的汽車防追尾系統(tǒng)設(shè)計(jì)。程序用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，而且指令執(zhí)行也更簡(jiǎn)單快速。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；強(qiáng)磁鐵；經(jīng)濟(jì)型；防追尾

引言

高速公路交通系統(tǒng)在我國(guó)的興起，正改變著我國(guó)陸上交通的格局。然而近年來(lái)，道路交通安全形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，交通事故給家庭、集體和國(guó)家都帶來(lái)了巨大的損失，已成為世界性的嚴(yán)重問(wèn)題。這其中自高速公路投入使用以來(lái)，事故頻發(fā)，已嚴(yán)重影響人們對(duì)使用高速公路的信心，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，在眾多的高速公路交通事故中，追尾碰撞引起的事故占最多數(shù)，特別是夜間長(zhǎng)時(shí)間駕駛會(huì)導(dǎo)致司機(jī)判斷力失常，后方車輛司機(jī)只是根據(jù)前方車輛的尾燈來(lái)判斷它的存在，忽略了對(duì)于與前方車輛應(yīng)保持的安全距離。而這時(shí)車速往往很快，只要前方車輛稍微出現(xiàn)減速或剎車的情況，后面的車輛已來(lái)不及反應(yīng)，就會(huì)釀成嚴(yán)重的追尾事故。大霧天氣也可能誘發(fā)追尾事故。很明顯，如果能夠有效地控制追尾事故的發(fā)生，那么將大大改善現(xiàn)今的交通狀況，減少傷亡，同時(shí)，也給公安交通工作帶來(lái)極大的便利！因此開發(fā)一種實(shí)用經(jīng)濟(jì)的主動(dòng)型防追尾安全裝置具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要有測(cè)距模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、人機(jī)接口和磁鐵模塊等組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示：在系統(tǒng)中，最主要的就是兩車之間的相對(duì)距離，因此，一般情況下在汽車防撞將兩車之間的距離作為檢測(cè)的主要對(duì)象。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)著力從經(jīng)濟(jì)型、家庭普及適用性角度，具有自動(dòng)行車安全距離檢測(cè)（30～50m）、防碰撞防追尾自動(dòng)警示等實(shí)用功能的防撞主動(dòng)防追尾電子裝置。

汽車主動(dòng)式防撞裝置實(shí)際上是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)的主控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)等部分。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，單片機(jī)是主要的智能單元，控制方案通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)參數(shù)。

2.1 單片機(jī)的選擇

系統(tǒng)采用與Inte]公司生產(chǎn)的MCS-51完全兼容的AT89C52單片機(jī)。AT89C52是一個(gè)低功耗，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)包含8KBytes ISP（In System Programmable）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，該元件采用Atmel公司的高精度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造而成，兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)以及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。具有如下的標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 AT89C52可以降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)進(jìn)行工作。在掉電保護(hù)方式下，RAM的內(nèi)容被保存下來(lái)，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)的一切工作也停止下來(lái)，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的核心是單片微型計(jì)算機(jī)芯片AT89C52.系統(tǒng)主控單元如圖2所示。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖

AT89C52單片機(jī)的特點(diǎn)如下：

·靈活的ISP在線系統(tǒng)編程。只需要一條ISP下載線就可以直接把PC上編譯好的程序?qū)懙絾纹瑱C(jī)和程序存儲(chǔ)器中，不需要購(gòu)買仿真器、芯片適配器等設(shè)備。

·32個(gè)可編程的I/O口線。提供了豐富的I/O口資源。

·6個(gè)中斷源。

·3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

·256字節(jié)內(nèi)部RAM。

·全雙工串行UART通道。

·1000次可重復(fù)擦寫周期。

·引腳功能說(shuō)明如下：

·輸入/輸出引腳（I/O口線）

P0.0～P0.7：P0口8位雙向I/O口，占39～32腳；

P1.0～P1.7：P1口8位準(zhǔn)雙向I/O口，占1～8腳；

P2.0～P2.7：P2口8位準(zhǔn)雙向I/O口，占21～28腳；

P3.0～P3.7：P3口8位準(zhǔn)雙向I/O口，占10～17腳；

·控制口線

PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。

ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許/編程信號(hào)。

EA/VPP（31腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址允許/固化編程電壓輸入端。

RST/VPD（9腳）：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，VPD是備用電源輸入端。

·電源及其它

Vcc（40腳）：電源端+5V。

GND（20腳）：接地端。

XTALl、XTAL2（19～18腳）：時(shí)鐘電路引腳。當(dāng)使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，這兩個(gè)引腳端外接石英晶體和微調(diào)電容。當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于外接外部時(shí)鐘源。

2.3 超聲模塊

在城市擁擠路面上，很多駕駛員都會(huì)關(guān)閉安全系統(tǒng)，這時(shí)系統(tǒng)的雷達(dá)測(cè)距功能就被浪費(fèi)了。因此本設(shè)計(jì)采用超聲波模塊。超聲波是一種聲波，具有聲波的所有基本物理特性如：反射、折射等，超聲波測(cè)距也是利用其反射特性，發(fā)射模塊發(fā)射出某一頻率的超聲波，遇到目標(biāo)后反射回來(lái)，接收模塊接收到反射信號(hào)，通過(guò)發(fā)射波和反射波的時(shí)間差，用聲速乘以時(shí)間差的1/2即可求出目標(biāo)距離。endprint

人機(jī)接口包括按鍵和液晶顯示。測(cè)距模塊將超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出相對(duì)距離信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析判斷發(fā)出聲光報(bào)警，駕駛員也可以通過(guò)顯示器來(lái)調(diào)整安全距離。

如圖3所示，本裝置置于汽車駕駛座后臺(tái)，可用于提醒后車司機(jī)注意與本車保持距離防止追尾。將傳感器面朝后車，當(dāng)與本車距離小于安全距離時(shí)，前車尾部將開啟磁鐵系統(tǒng)，增大前后車距離，以此達(dá)到主動(dòng)防止被動(dòng)追尾的效果。

圖3 超聲測(cè)距原理圖

2.4 磁鐵系統(tǒng)

本系統(tǒng)由隔離裝置、強(qiáng)磁鐵、屏蔽罩構(gòu)成；隔離裝置將車身內(nèi)部零件與強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相隔離；強(qiáng)磁鐵固定在隔離裝置表面并分布在車身頭部與尾部，在前車尾部加載可動(dòng)磁力盒，可實(shí)現(xiàn)90度的旋轉(zhuǎn)（通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)），在后車前端固定同樣的磁力盒。兩個(gè)磁力盒位置應(yīng)相對(duì)。

a.兩車距離處于安全距離時(shí)，兩個(gè)磁力盒不正對(duì)。

b.當(dāng)后車距離前車的距離超出安全距離時(shí)，前車尾部的超聲波測(cè)距模塊可將信號(hào)傳輸給CPU，CPU通過(guò)控制與可動(dòng)磁力盒相連的電機(jī)帶動(dòng)磁力盒轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后兩車磁力盒同極相對(duì)，此時(shí)于前車尾部與后車頭部的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使前后兩車之間通過(guò)排斥力減緩沖力，主動(dòng)避免后車追尾，緩解交通壓力。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉的防止汽車追尾裝置。

2.5 總PCB圖

圖4 總PCB圖

3 軟件流程圖

本系統(tǒng)的程序軟件總體包括：人一機(jī)接口程序，測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人一機(jī)接口。測(cè)量執(zhí)行系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理程序。軟件流程圖結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果歸納如下：

4.1 能夠很好地把握行駛中或停車時(shí)的車間距。因?yàn)槿说难劬κ怯姓`差的，因此，即使規(guī)定了車間距離，也會(huì)產(chǎn)生30%以上的誤差。而此裝置可以幫助人們提高掌握車間距的精確程度。

4.2 車輛接近將要發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)啟動(dòng)磁鐵系統(tǒng)，通過(guò)控制與可動(dòng)磁力盒相連的電機(jī)帶動(dòng)磁力盒轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后兩車磁力盒同極相對(duì)，此時(shí)于前車尾部與后車頭部的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使前后兩車之間通過(guò)排斥力減緩沖力，主動(dòng)避免后車追尾。

4.3 精神方面的支柱。由于能主動(dòng)避免后車追尾，因此駕駛員有一種安全感，緊張狀態(tài)緩和，注意力分配均勻，駕駛起來(lái)很沉著。

由于該裝置是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉的主動(dòng)式防撞系統(tǒng)，可以有效地防止汽車追尾碰撞事故的發(fā)生，該系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)相當(dāng)流行，所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效與益將會(huì)相當(dāng)可觀。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[2]張福學(xué).傳感器應(yīng)用及其電路精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，1993.

[3]董子和，等.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的建立及其在汽車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].汽車電器.

[4]程俊紅.基于單片機(jī)的汽車防追尾系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中外企業(yè)家，2013（446）：224.

[5]王潔.汽車防撞雷達(dá)測(cè)距性能分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（7）.

[6]趙晶.電路設(shè)計(jì)與制版Protel99高級(jí)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：帥春江（1979-），男，江西宜春，碩士，講師，電子技術(shù)。endprint

人機(jī)接口包括按鍵和液晶顯示。測(cè)距模塊將超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出相對(duì)距離信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析判斷發(fā)出聲光報(bào)警，駕駛員也可以通過(guò)顯示器來(lái)調(diào)整安全距離。

如圖3所示，本裝置置于汽車駕駛座后臺(tái)，可用于提醒后車司機(jī)注意與本車保持距離防止追尾。將傳感器面朝后車，當(dāng)與本車距離小于安全距離時(shí)，前車尾部將開啟磁鐵系統(tǒng)，增大前后車距離，以此達(dá)到主動(dòng)防止被動(dòng)追尾的效果。

圖3 超聲測(cè)距原理圖

2.4 磁鐵系統(tǒng)

本系統(tǒng)由隔離裝置、強(qiáng)磁鐵、屏蔽罩構(gòu)成；隔離裝置將車身內(nèi)部零件與強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相隔離；強(qiáng)磁鐵固定在隔離裝置表面并分布在車身頭部與尾部，在前車尾部加載可動(dòng)磁力盒，可實(shí)現(xiàn)90度的旋轉(zhuǎn)（通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)），在后車前端固定同樣的磁力盒。兩個(gè)磁力盒位置應(yīng)相對(duì)。

a.兩車距離處于安全距離時(shí)，兩個(gè)磁力盒不正對(duì)。

b.當(dāng)后車距離前車的距離超出安全距離時(shí)，前車尾部的超聲波測(cè)距模塊可將信號(hào)傳輸給CPU，CPU通過(guò)控制與可動(dòng)磁力盒相連的電機(jī)帶動(dòng)磁力盒轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后兩車磁力盒同極相對(duì)，此時(shí)于前車尾部與后車頭部的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使前后兩車之間通過(guò)排斥力減緩沖力，主動(dòng)避免后車追尾，緩解交通壓力。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉的防止汽車追尾裝置。

2.5 總PCB圖

圖4 總PCB圖

3 軟件流程圖

本系統(tǒng)的程序軟件總體包括：人一機(jī)接口程序，測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人一機(jī)接口。測(cè)量執(zhí)行系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理程序。軟件流程圖結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果歸納如下：

4.1 能夠很好地把握行駛中或停車時(shí)的車間距。因?yàn)槿说难劬κ怯姓`差的，因此，即使規(guī)定了車間距離，也會(huì)產(chǎn)生30%以上的誤差。而此裝置可以幫助人們提高掌握車間距的精確程度。

4.2 車輛接近將要發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)啟動(dòng)磁鐵系統(tǒng)，通過(guò)控制與可動(dòng)磁力盒相連的電機(jī)帶動(dòng)磁力盒轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后兩車磁力盒同極相對(duì)，此時(shí)于前車尾部與后車頭部的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使前后兩車之間通過(guò)排斥力減緩沖力，主動(dòng)避免后車追尾。

4.3 精神方面的支柱。由于能主動(dòng)避免后車追尾，因此駕駛員有一種安全感，緊張狀態(tài)緩和，注意力分配均勻，駕駛起來(lái)很沉著。

由于該裝置是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉的主動(dòng)式防撞系統(tǒng)，可以有效地防止汽車追尾碰撞事故的發(fā)生，該系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)相當(dāng)流行，所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效與益將會(huì)相當(dāng)可觀。

參考文獻(xiàn)

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[3]董子和，等.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的建立及其在汽車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].汽車電器.

[4]程俊紅.基于單片機(jī)的汽車防追尾系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中外企業(yè)家，2013（446）：224.

[5]王潔.汽車防撞雷達(dá)測(cè)距性能分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（7）.

[6]趙晶.電路設(shè)計(jì)與制版Protel99高級(jí)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：帥春江（1979-），男，江西宜春，碩士，講師，電子技術(shù)。endprint

人機(jī)接口包括按鍵和液晶顯示。測(cè)距模塊將超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得出相對(duì)距離信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析判斷發(fā)出聲光報(bào)警，駕駛員也可以通過(guò)顯示器來(lái)調(diào)整安全距離。

如圖3所示，本裝置置于汽車駕駛座后臺(tái)，可用于提醒后車司機(jī)注意與本車保持距離防止追尾。將傳感器面朝后車，當(dāng)與本車距離小于安全距離時(shí)，前車尾部將開啟磁鐵系統(tǒng)，增大前后車距離，以此達(dá)到主動(dòng)防止被動(dòng)追尾的效果。

圖3 超聲測(cè)距原理圖

2.4 磁鐵系統(tǒng)

本系統(tǒng)由隔離裝置、強(qiáng)磁鐵、屏蔽罩構(gòu)成；隔離裝置將車身內(nèi)部零件與強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相隔離；強(qiáng)磁鐵固定在隔離裝置表面并分布在車身頭部與尾部，在前車尾部加載可動(dòng)磁力盒，可實(shí)現(xiàn)90度的旋轉(zhuǎn)（通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)），在后車前端固定同樣的磁力盒。兩個(gè)磁力盒位置應(yīng)相對(duì)。

a.兩車距離處于安全距離時(shí)，兩個(gè)磁力盒不正對(duì)。

b.當(dāng)后車距離前車的距離超出安全距離時(shí)，前車尾部的超聲波測(cè)距模塊可將信號(hào)傳輸給CPU，CPU通過(guò)控制與可動(dòng)磁力盒相連的電機(jī)帶動(dòng)磁力盒轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后兩車磁力盒同極相對(duì)，此時(shí)于前車尾部與后車頭部的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使前后兩車之間通過(guò)排斥力減緩沖力，主動(dòng)避免后車追尾，緩解交通壓力。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉的防止汽車追尾裝置。

2.5 總PCB圖

圖4 總PCB圖

3 軟件流程圖

本系統(tǒng)的程序軟件總體包括：人一機(jī)接口程序，測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人一機(jī)接口。測(cè)量執(zhí)行系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理程序。軟件流程圖結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果歸納如下：

4.1 能夠很好地把握行駛中或停車時(shí)的車間距。因?yàn)槿说难劬κ怯姓`差的，因此，即使規(guī)定了車間距離，也會(huì)產(chǎn)生30%以上的誤差。而此裝置可以幫助人們提高掌握車間距的精確程度。

4.2 車輛接近將要發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)啟動(dòng)磁鐵系統(tǒng)，通過(guò)控制與可動(dòng)磁力盒相連的電機(jī)帶動(dòng)磁力盒轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后兩車磁力盒同極相對(duì)，此時(shí)于前車尾部與后車頭部的強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使前后兩車之間通過(guò)排斥力減緩沖力，主動(dòng)避免后車追尾。

4.3 精神方面的支柱。由于能主動(dòng)避免后車追尾，因此駕駛員有一種安全感，緊張狀態(tài)緩和，注意力分配均勻，駕駛起來(lái)很沉著。

由于該裝置是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉的主動(dòng)式防撞系統(tǒng)，可以有效地防止汽車追尾碰撞事故的發(fā)生，該系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)相當(dāng)流行，所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效與益將會(huì)相當(dāng)可觀。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

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[6]趙晶.電路設(shè)計(jì)與制版Protel99高級(jí)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：帥春江（1979-），男，江西宜春，碩士，講師，電子技術(shù)。endprint