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Design and proteus simulation of automobile anti-collision alarm system
吕德深1，梁承权2
LV De-shen 1, LIANG Cheng-quan 2
（1. 华南师范大学 物理与电信工程学院，广州 510006；2. 南宁学院，南宁 530200）
摘 要：基于提醒警示驾驶员小心驾驶，安全行车，减少车辆碰撞事故发生的目的，设计了一种汽车
说明设计过程和工作原理，最后进行Proteus仿真和硬件测试。测试结果表明：此系统测量准确，可靠性高，操作简单，对车辆安全行驶有着重要的意义。
关键词：超声波测距；防撞报警系统；单片机；Proteus仿真中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2013)11(下)-0149-05Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.11(下).44
收稿日期：2013-09-05
作者简介：吕德深（1987 -），女，广西玉林人，硕士研究生，研究方向为智能仪器与系统。
0 引言
随着经济的快速增长，人民生活水平不断提高，私家车的数量大幅度增加，造成道路拥挤，交通事故频频发生，对人们生命造成严重的威胁，给人们财产带来了巨大的损失。安全驾驶成为人们关注的焦点，其中汽车防撞报警器的设计显得非常重要与迫切。针对这种情况，本文设计一种汽车防撞报警系统。该系统采用超声波测距原理，在车辆行驶时自动检测前方的车距[1]和相对速度并通过液晶显示，同时根据车距和相对速度通过声光报警电路发出预警信号，实时提醒驾驶员安全驾驶。
1 超声波测距测速原理
超声波是一种频率高于20000赫兹的机械波，指向性强，能量消耗慢，常温下在空气中的传播速度为s m v /3400=。超声波测距原理如图1所示，其在空气中传播的距离L：
t v L ×=0 (1)式中t 为超声波在空气中的传播时间。
由图1中的三角形关系可知：防撞报警系统与障碍物之间的距离d：
22)2
()2
(S L d −= (2)
式中S为报警系统中超声波发射头与接收头之间的距离。
超声波在空气中传播速度v 0受温度影响较大，所以必须考虑温度对速度的影响，速度与温度的
关系为：
T v ×+=607.04.3310 (3)式中T为防撞报警系统的环境摄氏温度[2]。由式(1)、(2)、(3)可知，考虑了温度影响后，报警系统与障碍物之间的距离d：
2
)607.04.331(222S t T d −⋅+=
(4)
䱰⠽
图1 超声波测距原理图
报警系统与障碍物的相对速度
)/()(1212t t d d v −−=，其中1d 、2d 分别为相邻较短
时刻1t 、2t 报警系统与障碍物间的距离。根据该式和(4)式即可进行测距和测速。
汽车防撞系统2 系统总体方案设计
该汽车防撞报警系统总体结构如图2所示，主要由主控制电路、超声波发射与接收电路、温度测量电路、液晶显示电路、声光报警提示电路等组成。主控制电路是该汽车防撞报警系统的核心组成部分，负责产生超声波发射电路所需的40KHz方波信号；同时对超声波接收电路检测分析的回波信号进行运算处理。温度测量电路主要采集环境温度，对超声波速度进行校正，提高测
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量精度。所测量的温度、距离、速度等信息最终通过液晶显示出来，同时系统根据所得的距离和相对速度进行控制声音报警提示电路和LED状态提示电路，达到提醒驾驶员安全驾驶的目的。
图2 系统总体框图
3 系统硬件设计
3.1
主控制电路设计
主控制电路一方面负责产生超声波发射电路所需的超声波信号；另一方面对超声波接收电路的回波信号进行处理，并控制声光报警电路进行预警提示。
系统采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器。该单片机采用高密度、非易失性存储技术集成了丰富的片内外设资源，内含4K的flash，256字节的RAM，四组8位的IO口，2个外部中断，2个定时计数器和一个串行中断[3]。本系统主控制电路主要包括AT89C51单片机、时钟电路、复位电路等，其电路如图3所示。
图3 主控制电路图
3.2 超声波发射与接收电路设计
发射电路与接收电路在距离测量中至关重要。发射电路功率较小，或者频率不对，接收电路将难以接收到回波；接收电路放大倍数不够，或者周围环境干扰太大，容易造成接收不到回波信号或接收错误回波信号。
3.2.1 超声波发射电路
超声波产生的方式主要有：电气方式和机械方式，本系统采用电气方式的压电型超声波传感器，其主
要利用压电晶体谐振工作，超声波发射电路如图4所示。单片机由定时器产生40KHz的方波信号经74HC04后送入转换器，最终以超声波形式发射出去。
图4 超声波发射电路
3.2.2 超声波接收电路
由于超声波在空气中传播受到空气阻碍作用，距离越远，反射回来的回波越弱。因此，接收到的回波信号必须进行放大、滤波、整形等处理。为了使电路简单可行，综合各方面考虑，本系统采用CX20106A为接收电路的核心器件[4]，其芯片及外围电路如图5所示。CX20106A是索尼公司生产的一款红外解码芯片，解码中心频率由R14阻值决定，其内部集成了前置放大、限幅放大、宽频带滤波器、检波及比较器、整形、滞后比较器等电路。系统采用CX20106A，大大降低了接收电路的复杂程度。
图5 超声波接收电路
3.3 温度测量电路设计
由于超声波在空气中传播的速度受温度影响较大，在温度变化较大的场合必须考虑温度对速度的影响[5]。为了得到较高精度的温度，系统使用DALLAS公司的单总线数字式温度传感器DS18B20。其优势
明显：抗干扰能力较强；外围电路较少，只需一个10kΩ的上拉电阻；单片机只需一个IO口就可对其读写。DS18B20传感器的电
路如图6所示。
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图6 DS18B20测温电路
3.4 液晶显示电路设计
传统电子设备通常采用LED数码管显示，其
亮度高、价格低等优势而得到广泛应用。其缺点却很明显，显示内容较少、线路复杂，部分应用领域已被近年兴起的LCD液晶逐步取代。LCD液晶显示内容丰富、亮度均匀、性价比较高。本系统采用LCD12864液晶对温度、距离、速度、提示
语进行显示。其电路接口如图7所示。
图7 LCD12864显示电路
3.5 报警提示电路设计
该防撞报警系统的报警提示电路如图8所示。当报警系统检测到障碍物距离大于5米并相对速度小于1m/s时，单片机控制蜂鸣器关闭，绿LED 亮，液晶上显示“安全”字样；否则，蜂鸣器发出报警声音，红LED开始闪烁，液晶屏上显示“危险”字样；同时，距离越小，相对速度越大，报警声音频率越高，红LED闪烁越快，从而起到提示驾驶员注意保持车距安全驾驶的作用[6]。
4 系统软件设计
4.1 总体软件设计
该防撞报警系统软件设计主要包括：超声波信号产生子程序、超声波接收中断和超时中断子程序、温度测量子程序、液晶显示子程序、预警处理子程序、距离修正子程序。系统软件流程图如图9所示。系统一开始进入初始化程序，包括LCD12864初始化、外部中断与定时器中断初始化、单片机IO口初始化等。单片机发送10个40KHz的方波后，单片机等待外部中断或定时器中断的发生。若单片机发生定时器中断，变量Test=2，说明超声波接收超时，此时定时器数据无效。若单片机接收回波的IO口P3.2发生外部中断，Test=1，此时读取定时器寄存器TH0、TL0的值，即可得到（4）式中的t，并根据t计算出报警系统与障碍物间的距离d。
(a) 主程序流程图
(b) 外部中断流程图 (c) 定时器中断流程图
图9 系统软件流程图
图8 报警提示电路
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4.2 系统数据修正处理
超声波反射的回波有一定的离散性，为了克服偶然误差，得到更精准的测量结果，系统采用递推中位值平均滤波法对测量结果进行修正。该方法是采用软件滤波对数据进行修正：采用递推的方法对每个测距点连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的平均值作为该测距点的测量数据。这样的处理能够克服偶然引起的脉冲性干扰，消除脉冲干扰引起的采样值偏差，使测量数据更准确可靠[7]。
5 系统测试与分析
为验证设计方案和程序设计的正确性，对系统进行了仿真测试和硬件测试。
5.1 系统仿真及测试
5.1.1 Proteus软件介绍及仿真元件创建
Proteus是一款非常出的EDA工具，能够对常见的元器件进行准确仿真。该软件和大多数仿真软件一样，可进行元件创建及层次原理图的设计。Proteus元件库中没有超声波发射和接收电路，故本文主要通过自制元件生成相应的电路。具体实现步骤如下：1）利用常用工具箱中的2D Graphics Line Mode和Device Pins Mode工具绘出整个线路连接图；2）利用Make Device工具将线路连接图组合成单一的
元件；3）编辑元件的子原理图。
本系统的超声波发射接收模块元件如图10所示，其子原理图是由NE555组成的单稳型压控振荡器，如图11所示。当单片机发送40KHz的脉冲到NE555的2脚时，触发压控振荡器工作，此时3脚输出一定脉宽的方波，调节5脚电压可输出不同占空
比，即实现了不同距离的调节。
图10 超声波发射接收 图11 超声波发射接收
电路线路图 电路的子原理图
5.1.2 系统仿真测试
系统仿真如图12所示，调节图中的RV1可实现模拟不同距离的测量。
仿真测试实现了：1）环境温度的实时测量及修正；2）两车间距离、相对速度的显示；3）根据距离与相对速度判断车辆是否在安全范围内，
并给出相应的声音报警和LED提示。
图12 系统仿真原理图
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5.2 系统硬件测试与分析
根据设计方案设计了如图13所示的实物，并进行不同距离和相对速度的测试。测试结果表明：1）当距离大于5m且相对速度小于1m/s时，绿LED亮，液晶屏给出安全提示；否则，液晶屏给出危险提示，并且红LED闪烁、蜂鸣器发出报警。2）实际距离越大，偏差越大。在10m范围内测量数据较准确，能很好地提醒驾驶员安全驾驶，超出10m系统误差大。
报警系统与障碍物的实际距离较大时，反射的回波较弱，容易受周围环境影响而导致偏差较
大，但相对误差较小。
图13 系统实物图
6 结束语
本文设计的汽车防撞报警系统采用AT89C51为主控器，实现了实时的超声波测距、测速，并将所测距离和相对速度显示，同时系统根据距离和相对速度判断汽车是否在安全范围内，若不在安全范围内系统将进行声音报警和LED状态提示。系统进行了Proteus仿真和硬件测试，验证了系统的可行性和可靠性，此外，系统成本低，使用方便，能有效提醒驾驶员小心、安全驾驶，避免汽车相撞事故的发生，具有较大的实用价值和市场价值。
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4068控制模块(8路开关量)设置命令（1为开，0为关）
发送:#AA1N[00/01]\r ，如果要设置全部则NN 设为00。
返回:>\r
读取秤重量 发送 S\r\n
String cmd = “S\r\n”;
byte[] buffer = System.Text.Encoding.ASCII. GetBytes(cmd);
serialPort.Write(buffer, 0, buffer.Length);
3 结束语
洗涤液生产线的实时监控从硬件上看，可以监测140多个点，信号种类繁多，控制点50多个，开关信号居多，均为RS-485总线传输，抗干扰能力强，系统运行一年多，稳定性很好。从软件上分析，开发平台Windows Server 2003 + Visual Studio 2010 ， MySQL5.0数据库 + C#编程。采用了数据库存储产品配方技术，配方数量不受限制，自动进料、管理进程以及排放，实现了屏幕图示整个生产线按照配方生产的全部工艺流程图，记录存储生产过程中的实际参数，打印输出主混罐中成品洗涤液的实际配料数量清单，并打印配方名称、操作员、，配料开始时间、配料完成时间等，确保生产产品的质量与效益。
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