汽车开门防撞预警系统研究解读.doc

摘 要
当今社会汽车的拥有量越来越大，但驻车时由于开门不当造成同向行驶的非机动车、行人撞上车门，造成人员伤亡及不必要的车损，据本人调查后发现这一事故发生率是较高的。经过查新，目前市场上还没有关于开门防撞主动预防的产品，而人生安全是和谐社会的基础，因此我考虑设计一个开门防撞主动预警装置，本课题旨将思想防范转变为技术防范，从根本上避免因此类事故造成人员伤亡。
经过初步分析各传感器的优劣，本课题最终采用超声波传感器作为信息采集器，在查阅相关文献与了解了所需知识后，设计确定了基本框架，我采用红外接近开关和自制速度传感器组成信息采集器，采集汽车驻车信息输送至低压电子信息处理器，分析判断后发出工作指令，控制超声波感应系统的启动。将超声波传感器的感测距离限定在一定范围内，当在范围内检测到有物体向车靠近即发出“请注意”的提醒声，同时单片机运行测移动物体的速度从而算出将到达车门的时间，当时间小于所设定的值，要求发出电平信号使车门在一段时间内无法打开。
本设计不仅能够实时监控汽车驻车的情况，还具有成本低、耗电少的特点：成本低——整个控制电路只有几个电子元件组成；耗电少——整个电路中只有低压12伏的几个电子元件处于工作状态，当且仅当速度传感器检测到速度为零时，同时开关门扭上的红外感应器感受到手的接近（即欲开门）时控制电路进入预警和应急处理状态，以消除由于不当开门造成同行人或骑车人相撞的安全隐患。

关键词：电子感应技术 单片机 低能耗 实时控制 安全可靠
一、课题背景
“7月2日，一名出租车乘客在共和新路灵石路路口下车开门时，车门将一名过路的骑车人撞倒，骑车人经抢救无效死亡。
8月8日，浦东高科西路沪南公路的路口，一辆家具城的班车的驾驶员遇红灯停车等候时，一名急于转车的女乘客突然打开车门，与随后驶来的一辆燃气助动车发生碰撞，导致骑车人死亡。
　　10月8日，一名司机驾驶金杯面包车在西藏北路某路段的非机动车道内停车，同样是下车开门时车门撞击路过的骑车人，导致骑车人当场死亡。”
这是笔者在07年底的新闻晚报上看到的内容，短时间内由于轿车开门而导致的三起死亡事故让人触目惊心，笔者想到自己坐在后排想开车门时，头要扭着看很久，特别是晚上在路边下车的情况最让人头痛，根本就看不清楚车附近的情况，开一个门胆颤心惊，确实，想避免事故有时真的力不从心。
09年8月6日，笔者在东方卫视频道又一次看到因汽车开门而导致的死亡事故，由此下定决心将此作为自己的研究课题，争取制造出一个汽车开门防撞装置来解决这一问题。
随着科学技术的日新月异和生活水平的迅速提高，汽车在人们生活中越来越普及。人们对于代步工具不仅要求舒适更要求安全，至于安全不仅要考虑自身安全同时也要考虑他人的安全，考虑了行驶安全、驻车安全更不能疏忽了驻车开门的安全，于是笔者想能否设计一个能根据驻车时车外的情况开门防撞及时报警的预警装置。
笔者首先做了查新的工作，发现尚且没有解决汽车开门撞人问题的有关发明，所以笔者的这一想法是很有意义的。
在查阅相关文献与了解了所需知识后，设计确定了基本框架，笔者将采用单片机结合超声波距离探测电路、LED显示电路、声音报警电路组成的防撞预警装置、以及驻车判定和开门判断装置组成信息采集器，采集当时信息输送至低压电子信息处理器，分析判断后及时发出开门防撞预警装置工作指令，启动防撞预警装置工作，预防由于不当开门造成同行人或骑车人相撞的安全隐患。
延时装置
12V直流电源
信息处理装置
探头2
探头1
单片机 控制器
超声波发送
LED显示
超声波接收
声音报警

图一 超声波开门防撞智能预警装置框图
超声测距大致有以下二种方法：
① 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；
② 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=V*t／2。
本预警装置电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波测距的算法设计:
超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1 是声波发射的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。由于在这10.2m 的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离：

L=340(m/s)×(X2-X1)(S)/2

图二
第二种方案的好处是处理问题直接，能够直观地反映预警的情况。
目前汽车开门防撞智能预警装置的自制模型已完成，笔者希望设计变成实物后显示出其的实际价值，使汽车开门防撞智能预警装置真正达到自动化与智能化，且使成本降低，开创汽车开门防撞智能预警装置的新领域。
二、类似产品比较
经过市场调查与资料查询，就目前而言汽车开门防撞智能预警装置还是一个空白，查到一些想法类似的发明---倒车雷达，笔者的课题构思来源于倒车雷达。
三、设计与制作
（一）控制电路设计
这个开门防撞智能预警装置组成，主要分为信息处理装置和单片机控制器部分。
信息处理装置部分设计的理念是可靠、稳定且成本低；单片机控制器部分是数据采集迅速、准确，整个系统响应速度快。信息处理电路部分设计成汽车状态判断部分和单片机控制电路驱动部分。
开门防撞智能预警装置的设计思路：当汽车停稳且有开门意向时信息处理装置立即驱动单片机控制部分进入工作状态。进入工作状态的单片机开门防撞预警装置,即刻进入超声波数据采集，并且进行运算记录，根据记录数据的比对结果驱动相应的报警，即本装置采用定时65豪秒发送一次超声波信号，单片机内的定时器自信号发出时开始记录脉冲数，一个脉冲是1微妙，当接收到返回信号时停止计数，单片机计算出第一次测得的距离L1，同理再次测量下一脉冲测得的距离L2，两个距离作一次比较，认为静止或远离的物体即L2-L1≥0则不报警；比较后认为是接近的即L2-L1＜0则计算出物体移动的速度，通过单片机对移动物体的距离、速度分析判断，当开门有碰撞危险时，预警装置将自动锁定开门装置，同时语音报警，确保安全开门。当在探测范围之内有移动物体靠近，但不至于马上撞上打开的门时，在LED上显示距离并语音报警，不锁定开门机构；当在探测范围之内没有移动物体时，语音提示可安全开门。
信息处理装置部分：
开始设计本预警装置时所考虑的是结构安全可靠且工作稳定；控制电路电源采用直流12V的车载电源。如图三中的a、b点，确保安全节能。开门防撞智能预警装置的工作与否，是根据信息处理装置中的两个传感器所采集到的具体信息决定的。由此，采用移动传感器与接近传感器判断当时的具体情况，根据电位信号突变来驱动555型时间集成模块的动作，使继电器的线圈处于通电状态或断电状态。在单片机控制器部分是否进入工作状态的判断时，要求以当时的汽车是否停稳为优先条件，即在接近感应器触发继电器线圈（J1）线圈前串入一组位移感应器触发的常开触点，确保电路中位移感应器触发的继电器（J2）工作时继电器（J1）才能上电，当汽车处于移动状态时，即使手去拉门，开门预警装置也不会启动报警。（信息处理装置电路如图三所示）
目前试验装置进线电源为交流12V，通过如图三中的四个1N4001二极管构成的桥式整流电路。作用是将输入的12V交流电转变为12V直流电输出，电容的作用是滤波，7809为三端稳压管，确保输出稳定的12V直流电源，位移感应器的作用是接收汽车的行驶情况，同电位器匹配后触发555型时间集成模块的信号输出，使得继电器线圈工作；接近感应器的作用同位移感应器。
图三 信息处理装置
单片机控制器硬件部分：

图四 超声波测距系统框图
超声波测距预警装置采用STC89C51 单片机,晶振:12M,单片机用P1.0 口输出超声波换能器所需的40K 方波信号,利用外中断0 口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的4 位共阳LED 数码管,断码用74LS244,位码用8550 驱动。主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用TC89C51 来实现对CX20106A 红外接收芯片和TCT40-10 系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0 引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0 引脚，当INT0 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

图五 超声波测距原理框图

图六 LED显示电路图

图七 超声波发射电路图
用单片机的P1.0 口输出超声波换能器所需的40K 方波信号，如图7所示。

图八 超声波接收电路图
超声波接收电路使用CX20106A 集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A 的引脚注释。
1 脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2 脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。
3 脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。
4 脚：接地端。
5 脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。
6 脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号时该端输出为高电平，有信号时则产生下降。
8 脚：电源正极，4.5～5V。
系统报警原理：
通过超声波两次测距，计算物体到车门的时间Tp，根据Tp来判断是否开车门。假设第一次测得的距离为L1，超声波来回的时间为T1，第二次测得的距离为L2，超声波来回的时间为T2，两次测距的时间差为T3。
侧有L1=T1*340/2，L2=T2*340/2。
物体速度为v=(L1-L2)/T3
Tp=L2/v，
将上面公式简化，可得Tp=T2*T3/(T1-T2)
因此单片机只要得到T1,T2,T3这三个值，便可通过计算得到Tp。

单片机实现以上过程，主要通过单片机内部的两个16位定时器来实现，两个定时器初始值为0，启动定时器后，每隔10-6（微）秒定时器计数加1，因此只要在发射超声波时启动定时器，接收超声波时关闭定时器，此时定时器里的数值便是超声波来回的时间，单位是10-6（微）秒。
单片机工作流程如下：
上电后单片机进行定时器清零，设置定时器工作模式为16位定时器，启动定时器1，设定定时值为65ms。
经过65ms后，进入定时器1中断程序，在中断程序中发超声波脉冲（频率为40KHz），并开启定时器0，开启外端口0中断。
当超声波碰到物体返回被另一超声波探头接收时，在单片机外端口0处有低电平产生，从而引发外端口0中断，进入外端口0中断程序。
在外端口0中断程序中，将定时器0的值取出来，即为T1值，并启动定时器1作为T3的计时，经过一定延时后，再次发超声波脉冲进行第二次测距，再次启动定时器0。
超声波第二次返回时，再次进入外端口0中断程序，取出定时器0的值，即为T2，取出定时器1的值，即为T3。返回主程序。
在主程序中，将T1,T2,T3这三个值按上文所得公式进行计算得到Tp。
当Tp>2000000（2s）时，启动第一段录音程序，为“安全可开车门”。
当0.5s超声波接收头
1
9

变压器
1
12

线路板
3
28

如投入批量生产还可使成本进一步降低，具有一定的市场远景。不过目前仍存在一些问题，如报警系统的各项参数有待验证和提高，笔者希望通过改进一定能制作出一款真正达到开门防撞自动预警装置，有了它汽车开门更加安全保险，为他人带来安全。

参考文献：
1、 常斗南 刘立夫，《小型可编程序控制器原理与实践》沈阳辽宁科学技术出版社，1993。
2、林小峰， 《可编程序控制器原理与应用》，北京高等教育出版社，1991。
3、清华大学电子学教研组编 童诗白主编. 模拟电子技术基础.

4、张凤言编著. 电子电路基础.第二版.北京：高等教育出版社.
5、美）J.G.高特林著.电子学——模型、分析与系统.高等教育出版社.
6、周连贯主编.《电子技术基础》.北京：机械工业出版社.
7、陈汝全主编.《电子技术常用器件应用手册》.北京：机械工业出版社.
8、北京航空航天大学出版社出版《手把手教你学单片机》

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。
2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。
3、读书破万卷下笔如有神。
4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文
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