基于ATmega8L單片機和MMA7260QT實現(xiàn)汽車追尾安全裝置的設(shè)計

作者：袁剛強，鄧世建，吳玉康

1 引言

隨著我國汽車保有量逐年增加，高速公路的發(fā)展使得汽車的行駛速度越來越快。車流量也越來越大，導(dǎo)致高速公路交通事故頻頻發(fā)生，其發(fā)生率甚至達(dá)到普通公路的4 倍，且有上升趨勢。在高速公路所發(fā)生的交通事故中尤以汽車追尾居多，約占30％～40％，而在這些事故中，80％以上的事故是由于司機反應(yīng)不及時或者判斷失誤引起的。由于目前只有高檔車型才配有防碰撞裝置，而且以往設(shè)計中只單純考慮在車前或車后安裝防碰撞裝置，不盡全面，所以設(shè)計一套低成本、通用性好的汽車防車前車后追尾的安全裝置具有廣闊的應(yīng)用和市場前景。因此。這里提出一種基于AVR的新型防汽車追尾安全裝置設(shè)計。

2 安全裝置組成和硬件電路設(shè)計

安全裝置硬件電路設(shè)計主要由單片機控制、加速度傳感器、激光雷達(dá)、LED剎車燈及電源等電路組成，如圖1所示，裝置車載狀況如圖2所示。

圖1 安全裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖2裝置的車載情況

2．1 單片機ATmega8L

該設(shè)計選用高性能、低功耗單片機ATmega8L，它是基于先進(jìn)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位CMOS 工藝微控制器，器件內(nèi)部集成有模擬比較器，6通道1O位（TOFP與MLF封裝為8通道）的A／D轉(zhuǎn)換器，3個具有比較模式的靈活定時器／計數(shù)器，512 字節(jié)的EEPROM，片內(nèi)／外中斷，5種可通過軟件選擇的睡眠模式，以及8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器（可隨時在線編程），易于產(chǎn)品設(shè)計和更新。同時，ATmega8L可達(dá)到接近1 MIPS/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高出10倍，并且該器件價格不高，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供靈活且低成本的解決方案。另外，ATmega8L的工作電壓為2．7“5．5 V，非常適用于那些電壓波動較大的場合。

2．2 加速度傳感器MMA7260QT與單片機接口設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計選用加速度傳感器MMA72600T，測量加速度。該器件采用MEMS原理制作的低成本、低功耗、單芯片集成XYZ三軸感應(yīng)加速度傳感器，可準(zhǔn)確測量0”350 Hz、±6 g范圍內(nèi)動態(tài)或靜態(tài)加速度，還能夠監(jiān)測車體微小震動和整車的傾斜角度。該器件內(nèi)部集成了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)，并提供4個量程 （1．5g、2 g、4 g、6 g）可選，2．2～3．6 V單電源供電，工作電流小于500μA，休眠模式下最低供電電流僅為3μA。

MMA7260QT加速度傳感器采集汽車加速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過ATmega8L的PD7（AIN1）端口傳輸至ATmega8L，其具體連接電路如圖3所示。

圖3MMA7260QT與ATmega8L的接口電路

圖3中，當(dāng)Xout輸出和閾值電壓比較匹配時，系統(tǒng)發(fā)出模擬比較器中斷，單片機轉(zhuǎn)向LED剎車燈閃爍中斷子程序處理，采用這種方式可節(jié)省系統(tǒng)資源。 Xout與PD7引腳之間的RC具有濾波作用，用于減小時鐘噪聲，在電源和地之間加入去耦電容。另外，實際焊接安裝時應(yīng)保證加速度傳感器 MMA72600T盡可能地靠近微控制器ATmega8L放置。

2．3 霍爾車速傳感器

霍爾車速傳感器由8級磁鋼、UGN－3030T型霍爾開關(guān)傳感器、LM2917及放大電路組成，如圖4所示。

圖4霍爾車速傳感器組成

圖4中，汽車傳動部分帶動8級磁鋼旋轉(zhuǎn)，由于磁場變化使得8級磁鋼每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器便產(chǎn)生8個脈沖信號，經(jīng)放大器處理輸出到頻率／電壓轉(zhuǎn)換器LM2917，由單片機的A／D轉(zhuǎn)換器根據(jù)LM2917輸出電壓測量當(dāng)前汽車時速。

2．4 激光雷達(dá)測距

測距方法主要有超聲波、激光雷達(dá)、連續(xù)波雷達(dá)等，基于成本和設(shè)計需求考慮，激光雷達(dá)測距是最佳選擇。激光雷達(dá)測距有連續(xù)波和脈沖波兩種方式，本設(shè)計使用脈沖波方式。安全裝置發(fā)出脈沖狀的紅外激光束照射前方，并利用汽車后部可反光部件（以汽車號碼牌為主）的反射光，通過受光裝置檢測反射光，單片機根據(jù)時間差計算出其距離。

該部分電路由發(fā)光部、受光部、信號調(diào)理電路等組成，最終輸出信號由系統(tǒng)單片機處理。由于激光雷達(dá)發(fā)射光束集中，采用單一發(fā)射方式無法有效檢測前方一定距離，故在汽車前方安裝3個激光雷達(dá)測距模塊，如果其中一個模塊檢測到的距離小于該時刻最小允許距離，安全裝置將報警，即能夠及時檢測到插入車流的車輛并警報，如圖5所示。

圖5 激光束的檢測范圍示意圖

2．5 LED剎車燈

該設(shè)計中，剎車燈由發(fā)光二極管陣列組成，發(fā)光二極管選用Evedight公司生產(chǎn)的1 W高亮度LED，其響應(yīng)時間為納秒級，而普通車燈的熱啟動時間約250 ms。假設(shè)汽車時速為90 km／h（即25 m／s），通過計算可得反應(yīng)迅速的LED剎車燈可提早約6 m距離發(fā)出剎車警告，從而有效避免汽車追尾。將LED放置成內(nèi)、中、外三圈形狀。當(dāng)單片機根據(jù)加速度傳感器的輸入信號得到加速度值超過設(shè)定的閾值后，單片機輸出信號經(jīng)ULN2003驅(qū)動繼電器動作，LED剎車燈響應(yīng)后由內(nèi)一中一外一內(nèi)循環(huán)點亮，由于其亮度高、響應(yīng)快。在實際使用中效果良好。另外，該部分電路需與汽車剎車裝置聯(lián)動，以確保準(zhǔn)確輸出剎車信號。

2．6 液晶顯示

該設(shè)計采用并行128x64液晶屏，雖然占用較多的I／O端口，但并行傳輸便于編寫驅(qū)動程序，如果系統(tǒng)單片機不能提供足夠的I／O端口，可選擇串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊壕э@示屏。另外，為了讓司機能夠更方便地看到設(shè)計系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)，應(yīng)將顯示設(shè)備放置于司機主控臺視線合理位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制部分由ATmega8L控制完成，主要功能為：計算本車速度、車間距離，測定加速度，并通過LCD實時顯示；實際車間距離和安全車間距離的比較發(fā)出報警聲或報警燈閃爍；剎車時的加速度與設(shè)定閾值相比，決定是否點亮LED剎車燈，系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

在加速度測定中，考慮到汽車行駛當(dāng)中的振動和噪聲等影響信號輸出，還需進(jìn)行必要的軟件濾波處理，這里采取數(shù)據(jù)平均值方法。據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》，安全行車距離與行車速度關(guān)系模型如下：當(dāng)v≥100 km／h時，S》100 m；當(dāng)vvt／1 000 m；其中，S為安全行車間距，單位為m；v為本車時速，單位km／h；t為每小時。高速公路上S》50 m。軟件設(shè)計主程序代碼如下：

car_speed（）；／／汽車時速監(jiān)測，返回值為i

lcd_display（i，1）；／／第一行實時顯示車速

car_distance（）；／／車距監(jiān)測，返回值為j

lcd_display（j，2）；／／第二行實時顯示車距

car_cmpl（i，j）；／／比較車距與安全車距，確定是否報警

#pragma interrupt_handler ana_comp_isr：17

car_acc（）；／／加速度監(jiān)測，返回值為k

car_cmp2（k）；／／實際加速度與設(shè)定閾值的比較，確定是否點亮LED剎車燈

主程序在車輛開啟后一直循環(huán)執(zhí)行，直至車輛電源關(guān)閉。

4 結(jié)束語

該設(shè)計采用功能模塊化技術(shù)，易于操作及擴展；選用性價比較高的器件，具有良好的應(yīng)用和市場前景。設(shè)計方案切實可行，對于汽車防追尾具有重要意義。另外，設(shè)計所采用的加速度傳感器還可作為汽車防盜的震動信號監(jiān)測。

責(zé)任編輯：gt