汽车主动防碰撞系统设计与实现

袁泉 韩鹍

摘 要： 本文通过对汽车行驶测距测速及制动停车过程的分析，利用微波雷达传感器设计了一个运动中的汽车利用单片机对多普勒频移信号（与相对距离成正比）进行处理，并控制点阵液晶显示屏显示汽车相对距离及相对速度的自动测量显示仪。

关键词： 微波；多普勒频移；雷达

微波探测技术自上世纪40年代以来特别是近年来由军品向民品的转化后，越来越多地在防盗安防、水位检测、交通流量、汽车防追尾预警等各个应用方面得以普及。而微波雷达传感器因其波束有高度的定向性，在民用及工业自动控制领域也有着广阔的应用前景。

本文正是基于微波方向性好、速度等于光速的特点，采用发射中心频率10.525G±500MHz调频连续波（FMCW）的微波波导振荡器，利用多普勒原理对回波进行混频，经单片机控制电路处理，完成了对汽车行驶速度及距离的测量。

1系统概述

1.1需求分析

针对汽车行驶的安全问题，本文提出了一种汽车防碰撞系统功能的设计构想：当汽车行驶距障碍物第一安全距离以远时汽车以最大速度行驶；当汽车距障碍物第二安全距离以远时系统启动第三输出使汽车减速至中速以下行驶；当汽车距障碍物第三安全距离以远时系统启动第二输出使汽车减速至低速以下行驶；当汽车距障碍物第三安全距离时系统启动第三输出使汽车急停。其中第一、第二、第三安全距离及第一、第二、第三安全速度应通过键盘手动可设（第一安全距离>第二安全距离>第三安全距离，第一安全速度>第二安全速度>第三安全速度）。

根据实际产品的功能需求，系统还应具备以下功能：

警報和目测功能：当汽车进入障碍物的预设距离或超过设定的速度行驶时系统将发出声音报警，此情况不排除警报不会解除；除声音报警外显示屏还提供报警状态的测量值。

测速和测距功能：系统可测量显示物体距障碍物的距离及行驶速度。

环境适应功能：具有较强的防电磁干扰和在烟、尘、雾等恶劣环境工作的能力。

1.2系统组成

本系统功能由硬件和软件部份协调完成，硬件部分完成回波信号的采集、放大、整形、控制信号的输入；软件主要完成信号的处理及显控输出等功能。

1.3多普勒频移

本方案采用10.525G调频连续波（FMCW）进行测量。微波雷达使用线性调频高频信号CW--FM结构，其发送频率随一定的时间间隔调制。由于发送频率是随着信号调制的时间变化的，通过物位反射后接收混频经中放输出与反射物位距离成比例的回波信号混频频率。该频率是由当前发送频率和与物体反射后接收到的频率差值混频获取的，根据不同的反射物距离，混频后的频率将发生很大的变化，同时根据不同的分辨率需要调制不同的FM信号，混频信号经过以下处理即可得出距离值雷达信号经天线发送遇界面反射，经时间延时后被天线及接收机接收混频，当发射波与被测物界面反射波的差值以频率（Hz）进行计数，计算此频率的差值是天线到被测物界面的距离成正比，距离越大差值越大，反之亦然。

2系统设计

该系统硬件主要包括以下几个模块：电源模块、传感器检测模块、A/D转换模块、ATmel89C52单片机主控模块、键盘及OCMJ4x8B-2显示模块、继电器输出模块等。其中电源模块对整个系统进行供电，传感器完成信号的采样功能，A/D完成将模拟信号转换成数字信号的功能，89C52主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，键盘及OCMJ4x8B-2显示模块等完成控制信号的输入及字符、数字的显示功能。

2.1电路设计（图1）

传感器混频得到的回波波头信号，经放大器放大整形后，与参考信号一同进入单片机。参考信号为上下各半周期的门限信号。为简化设计，系统只处理上半周期的波头信号。单片机采用上边沿触发，得到的波头数乘以2即一个周期内的波头数，根据混频后每个波头代表的相对距离值（本设计采用的是中心频率10.525G±500MHz的微波，则一个波头对应距离为7.4cm）即可算出相对距离，而相对速度由两次距离值之差除以一个周期的时间可算出。由于单片机运算速度足够快，系统每得到8个距离和速度值进行一次平均并将此结果在液晶屏幕上显示。

2.2继电器模块设计

系统控制汽车在三个安全距离时的不同动作通过继电器的输出完成。继电器处于非通电时的状态，也同样是断电或检测到碰撞时的状态；通电且在无碰撞的状况下，所有继电器都接通工作。三个继电器可以有三种工作类型，即三输出、双输出、单输出类型，分别有1，2，3个输出点。多输出型可通过编程设置为双输出或单输出，但单输出和双输出机型不能设置成多输出（图2）。

2.3系统软件设计

在实际应用中，为提高测量值的精确性，我们采取的是取本次测量值与之前连续7次测量所得8个数值的平均值进行显示，从而大大提高的测距精度。系统软件采用汇编语言编写，显示界面可用屏幕所带字库进行规划显示。

总结：

随着电子技术的广泛应用，检测设备的自动、智能化必将是一种发展趋势，本文中提出利用单片机和新型多普勒雷达传感器完成了一款简便的汽车防碰撞系统的设计，系统运行可靠性高，操纵便捷，功能完善，自动化程度高，能够适合汽车系统应用的需要，目前已投产应用。

参考文献

[1]刘树峰.多路况下汽车防碰撞及行人保护预警系统设计[J].《山东农业大学学报》，2014.（2）.

[2]于宏毅，李鸥等.无线传感器网络理论、技术与实现[M].北京：国防工作出版社，2008：143.