基于STC89C52的夜间行车预警系统的研究与设计

莫胜军　陈明霞　吴世江　黎国达

摘 要 本文主要介绍一套具备预警防撞、会车辅助、行车导向辅助、车距保持等多功能的夜间行车的辅助系统的研究与设计。该系统在以智能小车作为仿真车的设计平台进行研究与设计，采用STC89C52RC单片机微处理器作为中心控制器，以红外避障传感器、光电避障传感器、超声波测距避障传感器等多种传感器作为信号采集器，对行车环境监测。系统综合自动分析输入信号，然后控制器对智能小车电机进行驱动控制。并结合激光灯具设计作为辅助信号灯，以实现系统要求的多项安全功能。该系統以智能小车作为仿真车的平台研究设计，与实际工程应用车辆存在一定的差距，但本文的设计研究可为实际的工程研究提供一个初步的设计理念与设计方案[1]。

关键词 智能汽车、安全系统、预警防撞、夜间行车

中图分类号 U4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0135-02

1 绪论

近年来，随着汽车的增加，驾驶危险性也随之增高。各种安全预警系统在此背景下应运而生。同时，随着科技的发展带来了安全预警系统的可靠性，复杂程度和种类都在增加。目前市场上较多的安全预警系统有行车防碰撞系统、车道保持系统、ACC自适应巡航系统、防疲劳驾驶预警系统、超车预警系统等等。种类繁多，安全性能也不错，不过在价格上都是较为昂贵。一般都会在较为高价位的车辆上有配置。还有很多低价位车辆甚至货车没有安装安全预警系统。在此背景下，设计一个简易、低价位、可靠的安全预警系统很有必要。另一方面，针对于夜间行车的安全预警系统市场上也比较少，这方面是值得研究开发的。这正是本课题的目的所在[2]。

2 系统设计方案

本文研究的夜间行车预警系统的系统由超声波测距传感器、人体红外传感器、光电避障传感器、测速编码器作为信息采集部分。采集到的信息传送给微型控制器STC89C52单片机，经过单片机处理控制L298N驱动器，实现停车、加减速、左右转向功能，并通过数码管显示距离、速度信息。

本文研究设计的安全系统主要对车辆前方环境监测监控。根据该系统所需要达到的功能要求进行对各个模块进行排布设计。超声波传感器模块设计安装在车辆正前方中间位置，用于对车辆正前方障碍物探测，为预警防撞和车距保持提供距离数据；小型人体感应模块也安装在车辆正前方中间位置，用于判断车辆前方的人或动物，用于触发紧急制动；光电传感器其具有探测角度小，线性度高的特点，可模拟代替激光探测传感器，将其设计安装在车辆前方左右两边各一个，用于辅助超声波传感器检测车辆前方的安全区域。并作为会车辅助的探测传感器，使用传感器手段检测在会车时候是否有发生侧碰撞的危险，弥补驾驶员在会车时受车灯干扰视觉不清的不足；使用一字激光灯来辅助驾驶员对车辆前方安全范围识别，使用激光光线显示出安全范围边界，为驾驶员提供可视信号，因此也设计安装在车辆前方左右边沿，如果是真实的车辆可以安装在其后视镜上，它的另一个作用还可以为对方车辆提供提示作用。激光灯为导向灯的设计代替模块，它能够让驾驶者预判车辆行车轨迹、方向以及车辆宽度，在窄小道路或者进入门口的时候也有辅助作用。数码管用于显示数值，集成在控制器的电路板上。这就是整个系统在仿真车上的模块安装设计方案。

3 软件设计

系统软件的调试主要包括PWM调速、测速调试、闭环控制、超声波测距等功能的调试实现，以及整个系统综合调试。首先对各功能进行单独的编程调试，检验编制设计的可行性。当各个功能单独调试成功，再把各个功能设计成子程序的形式进行调试整合。

考虑到单片机内部定时器资源有限，系统设计采用了双系统独立工作相互配合的形式组合。为了更方便程序设计与调试。设计使用系统1进行信号采集，包括对超声波测距、人体红外避障和光电传感器避障检测采集。在后期如需添加其他传感器，也可以在该系统中整合。系统1采集信号，计算判断，然后给系统2输送加减速、起停、左右转弯指令。系统2接收系统1指令，进行控制PWM输出，并对电机转速采集反馈。两系统分工合作，在系统1调整时候，不会影响系统2的工作，有利于程序的调整。

4 闭环调速

由直流动电机的工作特性方程是，转矩特性方程是，可知电动机除了由电压影响，还受到负载转矩的影响，还有小车左右电机的机械结构存在差异，单纯由PWM开环控制无法使左右电机速度相等，因此需要加入闭环调速控制，提高系统的可靠性、稳定性。闭环的控制框图如图1所示，给定速度值，经过一定的算法控制PWM的占空比输出，然后通过编码器测量电机输出转速进行反馈控制。

常用的控制算法有位式控制法、位置式PID算法、增量式PID算法。位式法控制简单，但精度低，仅通过判断输出是否达标而控制是否给定输出。位置式PID算法兼顾了历史偏差的积累、当前偏差和最近两次偏差的差值的情况进行对输出给定控制。位置式PID算法的公式为：。当前偏差可反映系统当前情况是否达标；最近两次偏差的差值可反映系统的趋向，如果差值为正说明输出在偏离稳定值，如果差值为负说明输出趋向稳定值。历史偏差的累加表达的是一个积分效果，可决定系统稳定时为无差控制系统。位置式PID适用于给定值较为固定的系统，对于小车转速给定值经常变化的情况不适用。精准的小车转速控制常用增量式PID算法。增量式PID算法针对于给定值多变的情况，控制器输出的是控制量的增量。经整理可得到公式：[3]。

5 结论

近年来，智能汽车的研究一直是国内外的一个研究热门领域，汽车的发展和科技的发展，人们对于追求智能、安全的汽车需求强烈，所以智能汽车安全系统在目前具有广阔的应用市场与研究价值[4]。

安全系统的设计与研究对于大学生来说也是一项极为具有挑战性的设计课题。因为智能小车安全系统的设计研究包含了多个领域的理论知识与应用。本课题研究的夜间行车预警系统包含了单片机应用、传感器技术与应用、控制工程的应用以及电机等多方面知识应用。

文章介绍了夜间行车预警系统的研究背景与价值，并分析了设计方案原理，之后分别介绍了系统的硬件模块的应用原理与功能实现的程序调试。在做出系统的仿真车后进行了功能实现的实验验证。通过对实验结果的分析，最终得到一个比较满意的设计结果。从目前的实验情况，本设计中的夜间行车预警系统达到预期的各项目标与要求。

参考文献

[1]董涛，刘进英，蒋苏.基于单片机的智能小车的设计与制作[J].连云港工贸高等职业技术学校，2009（2）：18.

[2]孙乐春.汽车安全系统现状研究[J].山东工业技术，2014（19）：50.

[3]董宗祥，石红瑞，杨杰.嵌入式智能小车测控系统的设计与实现[D].上海：东华大学，2010.

[4]宋晓琳，李诗福，冯广刚.汽车主被动安全集成控制系统方案设计[J].长沙：湖南大学，2009.