基于单片机的汽车油门防误踩系统研究报告书

1、基于单片机的汽车油门防误踩系统研究报告设计者：唐洋、田恬、陈鹏、潘迪指导老师：王起明学院：机电工程学院摘 要本文介绍了基于AT89S52单片机控制防止误踩汽车油门的系统的设计。利用角速度传感器、超声波距离传感器、LCD1602液晶显示屏、继电器控制电路、AT89S52单片机等组成此设计的硬件部分。角速度传感器和超声波距离传感器将采集到的角速度数据和距离数据传送给AT89S52单片机，单片机再对接收到的数据进行处理和判断，将处理的结果传送LCD1602液晶显示屏上显示，并且控制外围器件，电子油门开关和汽车刹车部分，同时通过声光报警进行警示，实现此设计的完全功能。关键词：数据采集系统；角速度；距离

2、；AT89S2；汽车目 录摘要···············································

3、83;···············2第一章 绪论·································&#

4、183;·····················41.1 课题的背景··························

5、3;······················41.2 研究意义··························&

6、#183;························41.3 国内外研究现状·······················&

7、#183;·····················4第二章 关键技术··························

8、3;························62.1 汽车安全状态的确定·······················&#

9、183;·················62.2 车前障碍物信息的获取······························

10、;·········62.3 误踩油门判定方法······································

11、3;····6 2.3.1 误踩油门踏板角速度信息的检测和判断···················7 2.3.2 前方障碍物距离的检测和判断···················

12、·······7第三章 系统总体方案设计·········································

13、;·93.1 系统总体方案··············································93.2 系

14、统运转流程图············································9第四章 系统的分模块设计···

15、;······································114.1 系统硬件设计··········

16、;···································114.2 电源电路设计·············

17、;································114.3 角速度传感器模块···············

18、83;·························124.4 超声波距离传感器模块······················

19、;···············134.5 AT89S52单片机模块································

20、;·······154.6 显示模块·········································&

21、#183;·······214.7 报警模块········································

22、83;········23第五章 调试及性能分析·······································&#

23、183;····25参考文献············································&#

24、183;············27附录····································

25、3;························28 第一章 绪论1.1 课题的背景据新闻报道，2013年4月28日上午7时45分，在小区停车场停车入位时，女司机王某误将油门当刹车踩下，将一名老人撞死；2012年5月8日20时36分许，肇事司机肖某某驾驶客车，其在采取制动措施时误踩油门，使车辆加速行驶造成交通事故，致4车连撞，包括张丽莉老师在内的5名师生

26、受伤；2012年6月22日下午，肇事司机李培林驾驶机动车操作不当制动时误踩油门，致车辆超速驶入对向非机动车道，与一自行车队相撞，造成人当场死亡、人经抢救无效死亡，人受伤.一系列的因司机误踩油门而发生的交通事故不断给我们敲响警钟！1.2 研究意义在机动车停车场入停车位时，因停车位空间狭小，司机视野受限，同时司机误踩油门导致发生事故。机动车在道路上行驶时，一旦发生紧急情况，很多司机尤其是新手司机由于紧张容易将油门误当做刹车踩下而不能制动，导致事故。由此可见，很多交通意外都是由于误踩油门所致，所以我们设计了这一套基于单片机的汽车油门防误踩系统，希望能够解决这一问题。1.3 国内外研究现状近年来，油门

27、误踩检测设备备受重视。本文列举两例论述。国内，北京科技大学的尹怡欣教授设计出一套基于旋转编码器的汽车油门误踩检测装置。该装置在油门踏板联动轴上安装旋转编码器，用于检测油门踏板的下踩速度和到达位置，利用车辆的速度信号，检测车辆的加速度。在油门踏板的下踩速度和到达位置超过阀值时，认为油门踏板误踩，信号处理单元将信号置为高电平输出。其中，信号处理单元由单片机STC12C5A60S2实现。实验表明，该装置检测油门误踩的信号输出准确率高，但其需要一定的反应时间，在瞬时性上还有待完善。国外，丰田公司开发出可防止刹车时误踩油门技术，该功能为“智能清障声呐”（ICS）。在将油门踏板误将制动踏板踩下时，该功能会

28、降低发动机的输出功率，在碰撞前自动实施制动。但该装置容易受到声波干扰，存在一定局限性。第二章 关键技术2.1 汽车安全状态的确定 在汽车防误踩油门系统中，由传感器采集车辆状态或者车前障碍物信息，传递到中央控制系统中。中央控制系统中和各方面的信息，进行逻辑判断，车辆是否正在处于安全行驶，并且给出刹车或者停车信号。国内外的汽车防误踩油门系统在信号采集方面设置比较单一，比如通过检测油门踏板的受力变化或者角速度变化，他们通过设定某一阈值作为判断车辆是否安全驾驶的依据。这些方法比较局限，在实际驾驶中，遇到复杂的路况，不能全方位的收集路况信息，从而产生错误的指令输出。所以，本文拟采用AT89S52单片机，

29、L3G4200角速度传感器和HC-SR04距离传感器相结合，提升信号的采集的可信度和传输速度，在事故未发生时，进入安全监控模式；在事故发生时，第一时间做出反应，将危害降到最低。2.2 车前障碍物信息的获取障碍物信息获取中的关键技术是车和前方障碍物和后方障碍物之间的距离测量。目前，汽车上的测距方法一般有超声波测距法、红外测距法、激光测距法、机器视觉测距法和雷达测距法。超声波测距法精度低、测距范围小，多用于制造倒车雷达；红外测距法虽然结构简单、价格低廉，但是其精度低，距离近，方向性差，容易受天气的影响。现阶段，汽车避撞技术领域常用的测距技术包括机器视觉测距法和雷达测距法，后者又可分为激光雷达测距和

30、毫米波雷达测距。本文中，将使用超声波测量传感器模拟实际情况。2.3 误踩油门判定方法2.3.1 误踩油门踏板角速度信息的检测和判断因油门踏板的角度不一致，在此设油门踏板和刹车踏板的角度均为45°。表2.1列举了踩油门踏板时间和踩刹车踏板时间。本设计以帕萨特1.8T为例进行研究。对于其余车型，需要根据车身零件的参数而制定。 表2.1 踩油门踏板时间和踩刹车踏板时间 通过表中可以分析正常情况下： V踩油门角速度max=45°/0.95s0.474°/s （2.1） V紧急踩刹车角速度max=45°/0.15s300°/s （2.2）误踩油门的情况下

31、： V误踩油门角速度max=45°/0.15s300°/s （2.2）由公式（2.2）将300°/s的角度变化作为判断误踩油门的阈值。2.3.2 前方障碍物距离的检测和判断对于前方和后方障碍物距离的检测，将影响整个系统的判断。在此系统中，只检测前方障碍物的距离。表2.2列举了安全间距与车速间的关系。表2.2 绝对安全间距与车速间的关系通过表中可以看出，车的最低安全距离为4.6m，为确保足够的反应时间，给人的反应时间和系统的反应时间，将单片机判断的安全距离阈值设为4m。第三章 系统总体方案设计3.1 系统总体方案通过对误踩油门判定方法的研究和误踩油门情况下紧急制动的

32、方法研究，最红确定系统的总体方案：在汽车行驶的过程中，防误踩油门系统不间断测量感知汽车与前方障碍物的距离S和驾驶员踩踏油门踏板的角速度变化。当S4m时，系统切入等待进入减速状态，当油门踏板的角速度V踩油门角速度300°/s,即约等于V误踩油门角速度这个阈值，立即给汽车发出减速的指令，使其进入减速状态；当S4m时，系统切入等待立即熄火制动并开启ABS系统和安全气囊的状态，当油门当油门踏板的角速度V踩油门角速度300°/s,即约等于V误踩油门角速度这个阈值，立即给汽车发出指令，使其立即关闭电子油门制动停止，并开启ABS系统和安全气囊。为实现上述功能，该系统的设计分为三个部分，包

33、括信号采集部分、中央控制单元和执行机构三个部分。基于系统功能的总体设计方案设计如图所示：图3.1 油门防误踩系统总体方设计图 信号采集被探测物 中央控制单元 执行机构角速度传感器超声波距离传感器本车路况信号的处理和判断关闭电子油门声光报警ABS和安全气囊 刹车制动3.2 系统运转流程图300°/S？开始1、 控制油门开度2、 减速制动1、 关闭电子油门2、 急停制动3、 开启ABS和安全气囊结束系统初始化采集车前与前方障碍物的信息判断4M？急停待命采集油门踏板的角速度信息刹车待命采集油门踏板角速度的信息300°/S？300°/S？是否是是否第四章 系统的分模块设计

34、4.1 系统硬件设计硬件线路如下图所示：图4.1 油门防误踩整体电路图4.2 电源电路设计 本系统的供电需要+5V电压，所以采用长虹电器生产的CH0500500型号的充电器，直接将220V稳压到+5V。图4.2 电源4.3 角速度传感器模块采用L3G4200D三轴加速度测量传感器，该传感器提供三个不同的型号，可供用户选择（±250/±500/±2000dps)。它包括一个传感元件和一个I²C接口，能够提供角速度的检测外部世界，通过一个数字接口（I²C/SPI)。16比特率值得数据输出，两个数字输出线（中断和dataready）,集成低和高通滤波

35、器的用户可选带宽。嵌入式和睡眠模式，宽电源电压(2.4V-3.6V)，低电压兼容的IOS（1.8V），高抗撞击能力，扩展的工作温度范围（-40到+85）。它可以应用于游戏盒虚拟现实的输入设备，运动控制与MMI，GPS导航系统，机械及机器人等。 5 图4.3 角速度模块图 4.4 超声波距离传感器模块采用HC-SR04超声波距离传感器模块。它是市面上成熟的测量距离的模块。图4.4.1 超声波距离传感器4.4.1 产品特色1、典型的工作用电压：5V2、超小静态工作电流：小于2mA3、感应角度：不大于15度4、探测距离：2cm-400cm5、高精度：可达0.3cm6、盲区（2cm）超近7、完全兼容G

36、H-311防盗模块4.4.2 产品框图图4.4.2 超声波距离传感器4.4.3 接口定义Vcc、Trig（控制端）、Echo（接受端）、GND本产品的使用方法，控制口发出一个10us以上的高电平，就可以在接受口等待高电平输出。一有输出就可以开始定时器及时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的世间，方可算出距离。如此不断的周期测，就可以达到你移动测量的值了。4.4.4 模块工作原理1、采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；2、模块自动发送8个40khz的方波，中检测是否有信号返回； 3、有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是；4、超声波从发射到返回的世

37、间，测试距离=（高电平时间*声速（340M/S）/2。4.5 AT89S52单片机模块4.5.1 AT89S52芯片介绍单片机是大规模集成电路结束发展的产物，常见的单片机有8051系列的单片机、8096系列的单片机、PIC系列、AVR系列、SPCE061A的凌阳单片机。他将中央处理器(CPU)、存储器（ROM/RAM）、输入输出接口、定时器/记数器等主要计算机部件集成在一片芯片上，因此单片机被称为单片机微型计算机(Single Chip Microcomputer).单片机配上适当的外围设备和软件，便可构成一个单片机应用系统。本次设计对单片机的要求：只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器

38、、D/A转换器等外设即可，其他并无特殊要求。故选择常见的美国Inter公司生产的MCS-51系列单片机，它具有可高性高、功能强、体积小、价格低、和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于工农业生产、国防、科研及日常生活等各个领域。而且本组同学也比较熟悉。我们选择的ATMEL公司的AT89S52单片机，他是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K ISP（在系统可编程）Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flas

39、h，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52管脚如图4.5.1所示：AT89S52具有如下特点：² 兼容MCS-51指令系统² 32个双向I/O口² 3个16位可编程定时/计数器² 全双工UART串行中断口线² 2个外部中断源² 中断唤醒省电模式² 看门狗（WDT）电路² 灵活的ISP字节和分页编程² 4.5-5.5V工作电压 图4.5.1 单片机芯片² 时钟频率0-33MHz² 256×8bit内部RAM² 低功耗空闲

40、和省电模式² 3级加密位² 软件设置空闲和省电功能 ² 双数据寄存器指针² 8k可反复擦写(>1000次)ISP Flash ROMAT89S52主要引脚的主要功能：VCC：接+5V电源。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0口具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P

41、1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/记数器2的外部记数输入(P1.0/T2)和定时器/记数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 表4.5.1 各端口引脚与复用功能表引脚号第二功能P1.0T2(定时器/记数器T2的外部记数输入)，时钟输入P1.1T2EX(定时器/记数器T2的捕捉/重载触发

42、信号和方向控制)P1.5MOSI(在系统编程用)P1.6MISO(在系统编程用)P1.7SCK(在系统编程用)P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如MOVX DPTR)时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flas

43、h编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 表4.5.2 各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（记

44、时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/ ：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在

45、每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在flash编

46、程期间，也接收12伏VPP电压XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。4.5.2 AT89S52 最小系统设计 单片机系统是整个数控系统的核心部分，主要包括AT89S52单片机、振荡电路、复位电路等。电路如下图所示：图4.5.2 最小系统设计(2) 复位电路 复位是单片机初始化操作。复位将单片机复到初始化状态，目的是使CPU及个专用寄存器处于一个确定的初始状态。如前面介绍，在单片机的复位信号RST上保持2个机器周期以上的高电平，单片机就会复位。本次设计采用的是手动复位方式，利用按键闭合是单片机复位端上保持接通高电平状态两个机器周期以上。 (

47、3) 振荡电路 该电路是由内部反相放大器通过引脚XTAL1和引脚XTAL2与外接的晶体以及电容C3和C4构成，产生出晶体振荡信。此晶振信号接至内部的时钟电路。图中的晶振频率为11.0592MHz，外接晶体时，电容C3和C4通常选30pF。虽然对外接电容没有严格要求，但电容的大小会影响振荡频率、振荡器的稳定性和起振的速度。振荡器的这些特性对弹片机的应用影响很大，因此在设计印刷电路板时，应使晶体和电容尽可能与单片机靠近，以保证稳定可靠。4.6 显示模块4.6.1 1602LCD显示液晶显示器由于体积小、质量轻、功耗低等特点，已成为各种便携式电子信息产品的理想显示器。液晶显示器通常可分为两大类，一是点阵型，二是字符型。一般的字符型液晶只有两行，面积较小，能显示字符和一些很简单的图形；而点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形和更多的字符。为了方便设计，同时又能满足设计的需要及尽可能降低设计成本。因此，我们选择1602LCD液晶显示器。目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。针对此设计，我们选用16*2模块。1602字符型液晶显示器实物如图所示：图4.6.1(a) 1602液晶显示器表4.6 16