基于AT89C51單片機(jī)和CAN總線器件實(shí)現(xiàn)汽車輪差預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 內(nèi)輪差原理

內(nèi)輪差是車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的前內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑與后內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑之差。由于內(nèi)輪差的存在，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，前、后車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡不重合。內(nèi)輪差的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的幅度和車輛軸距的長(zhǎng)短有關(guān)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度越大即轉(zhuǎn)向角度越大，內(nèi)輪差越大，反之越小;車輛的軸距越長(zhǎng)，內(nèi)輪差越大，反之則越小。重型汽車車身都比較長(zhǎng)，尤其是車頭轉(zhuǎn)過(guò)去后，還有很長(zhǎng)的車身沒(méi)有轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，極易形成大型車輛司機(jī)的“視覺(jué)盲區(qū)”，路人步入內(nèi)輪范圍后，容易造成生命危險(xiǎn)。如圖1中的陰影部分為內(nèi)輪差的形成區(qū)域。

圖1 內(nèi)輪差示意圖

2 超聲波預(yù)警原理

2.1超聲波測(cè)距原理

諧振頻率高于20KHZ的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播，頻率越高，則繞射能力越弱，反射能力越強(qiáng)。超聲波測(cè)距的方法多種多樣，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限;聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本文采用往返時(shí)間檢測(cè)法，其工作原理是：使超聲波發(fā)射探頭向介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖，聲波遇到被測(cè)物體后必有反射波作用于接收探頭。若已知介質(zhì)中的聲速為V，發(fā)射脈沖時(shí)刻與第一個(gè)反射波到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差為 T，則探頭與被測(cè)物體距離S=VT/2，對(duì)距離值改變的測(cè)算可以實(shí)現(xiàn)所需的控制目的。超聲波的速度V與溫度相關(guān)，空氣中的聲速與溫度的關(guān)系可表示為：

2.2 輪差檢測(cè)中超聲波傳感器的布置

汽車在行駛中即會(huì)向左側(cè)轉(zhuǎn)彎也會(huì)向右側(cè)轉(zhuǎn)彎，因此超聲波傳感器應(yīng)該在車身的兩邊對(duì)稱安裝。本系統(tǒng)中一共需要安裝三對(duì)傳感器，一對(duì)安裝在前輪附近，為了提醒司機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)車身后面是否會(huì)撞到轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的物體;第二對(duì)安裝在軸距中間附近，為了防止有物體在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)突然出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè);第三對(duì)安裝在后輪附件，為了及時(shí)提醒司機(jī)危險(xiǎn)狀況。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將單片機(jī)技術(shù)、超聲波測(cè)距技術(shù)與CAN總線通信技術(shù)等相結(jié)合，可檢測(cè)汽車在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中汽車內(nèi)側(cè)狀況。預(yù)警系統(tǒng)的三對(duì)測(cè)距傳感器獨(dú)立工作，通過(guò)CAN 總線經(jīng)接口芯片PCA82C250驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街?a target="_blank">控制器。測(cè)距采用SensComp 600傳感器和SensComp 6500超聲波距離模塊;單片機(jī)采用低成本的AT89C51主要功能為：1、用于控制測(cè)距傳感器并把測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)CAN控制器SJA1000發(fā)送到 CAN總線上;2、通過(guò)溫度傳感器DS18B20傳送過(guò)來(lái)的溫度參數(shù)，修正超聲波在空氣中的傳播速度;在PCA82C250與SJA1000之間還增加了高速線性光耦6N137進(jìn)行隔離，有效地防止汽車在惡劣工作環(huán)境下的瞬態(tài)干擾，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。因?yàn)槿龑?duì)測(cè)距傳感器硬件系統(tǒng)完全相同，此次只用一個(gè)進(jìn)行說(shuō)明，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輪差預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 CAN總線通信模塊

CAN總線協(xié)議遵循ISO的標(biāo)準(zhǔn)模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器了實(shí)現(xiàn)的。CAN總線器件可大體分為兩種類型，其一種是帶片上CAN控制器，如87C196CA/CB、MC6837等;另一種的CAN控制器獨(dú)立需要和微處理器一起使用，如Philips SJA1000、Intel公司82526及MCP251。前者多用在許多特定情況下，使用集成器件方便用戶制作印制板，使得電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、緊湊，效率提高;后者使用上比較靈活，它可以與多種類型的單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)的各類總線進(jìn)行接口組合。在本系統(tǒng)中，結(jié)合前面選擇的微控制器綜合考慮，選Philips 半導(dǎo)體公司的SJAl000作為獨(dú)立CAN控制器。SJA1000的主要特性：擴(kuò)展接收緩沖器（128字節(jié)FIFO）;支持CAN 2.0B協(xié)議;同時(shí)支持11位和29位標(biāo)識(shí)符;位通訊速率為1Mbits/s;增強(qiáng)CAN模式（PeliCAN）;采用24MHz時(shí)鐘頻率;支持多種微處理器接口;可編程CAN輸出驅(qū)動(dòng)配置;工作溫度范圍為-40℃～+125℃，足以適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。CAN總線驅(qū)動(dòng)器選用Philips公司的 PCA820250，它具有高速性（最高速度可達(dá)1Mbps），能滿足自制動(dòng)等實(shí)時(shí)性要求較高的控制需要;具有抗瞬間干擾保護(hù)總線的能力，具有降低射頻干擾的斜率控制。此外，它可以與110個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，能夠防止電源與地之間發(fā)生短路，并且當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電時(shí)不影響總線。

CAN總線通信模塊主要有AT89C5l微控制器、獨(dú)立CAN通信控制器SJAlO00和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250組成。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)在SJAl000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當(dāng)微處理器AT89C51將測(cè)距結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)P0口發(fā)送到CAN總線控制器SJAl000，由SJAl000將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)從端口TX0發(fā)出，經(jīng)過(guò)光電隔離器6N137后到達(dá)CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。相反，來(lái)自CAN總線的數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過(guò)相應(yīng)電路到達(dá)微處理器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距傳感器與上位機(jī)的通信功能。

3.2 超聲波傳感器介紹

本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)SensComp 600系列超聲波傳感器和SensComp 6500超聲波測(cè)距模塊的控制。SensComp 600系列靜電換能器的頻率為50kHz;測(cè)量范圍為6英寸到35英尺（0.15米～10.7米）。配合SensComp的6500驅(qū)動(dòng)電路時(shí)傳感器測(cè)量范圍能從2.5厘米到15.2米。AT89C51通過(guò)P1.0引腳控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，如圖3所示為超聲波測(cè)距的硬件示意圖。

圖3 超聲波測(cè)距電路的硬件示意圖

3.3 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

由于溫度每改變10℃，聲速改變量為0.6m/s，因此溫度對(duì)測(cè)距的影響是相當(dāng)大的。為了更精確的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，本設(shè)計(jì)使用了美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司的單線溫度傳感器DS18B20。該傳感器能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，測(cè)溫范圍 -55℃～+125℃，精度達(dá)±0.5℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，整個(gè)產(chǎn)品體積小、價(jià)格低、使用靈活，在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面都能夠滿足系統(tǒng)的要求。如圖4為溫度傳感器與單片機(jī)的連接原理圖。

圖4 溫度校正部分原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序、測(cè)距子程序、CAN總線通信子程序等模塊組成。調(diào)試過(guò)程中對(duì)其中每個(gè)功能模塊和子程序逐一調(diào)試，在每個(gè)子程序都完成其指定的功能后，再進(jìn)行整合完成最后的綜合調(diào)試。輪差預(yù)警系統(tǒng)的主程序流程圖、測(cè)距子程序流程圖分別如圖5、6所示。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，AT89C51先把P1.0置0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，在發(fā)送完16 個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號(hào)識(shí)別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號(hào)，要檢測(cè)返回信號(hào)必須在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)后2.38ms才可以檢測(cè)。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)結(jié)合溫度傳感器送來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)溫度經(jīng)過(guò)校正換算，可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的真實(shí)距離;然后顯示測(cè)距結(jié)果，若測(cè)距結(jié)果低于設(shè)定閥值則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào);最后把得到的距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)向汽車主控制器發(fā)送，這樣就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)與CAN網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的通信和網(wǎng)絡(luò)控制功能。

5 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于重型汽車的輪差預(yù)警系統(tǒng)，基于超聲脈沖測(cè)距原理進(jìn)行測(cè)距，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并通過(guò)CAN總線將輪差預(yù)警系統(tǒng)與汽車的數(shù)字化平臺(tái)接軌，降低了環(huán)境因素的影響，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。根據(jù)障礙物到車體的距離遠(yuǎn)近進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)該計(jì)算距離小于安全距離時(shí)，可以進(jìn)行預(yù)警，提醒司機(jī)采取必要措施以避免發(fā)生碰撞事故。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，可以經(jīng)濟(jì)、有效地降低大型汽車輪差事故發(fā)生率，具有很好的應(yīng)用前景。

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