电动自行车追尾防撞报警系统的设计

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摘 要 目前，电动自行车的安全问题已引起各界关注。本文基于超声波测距技术，以MCS-51系列单片机为控制核心，采用语音报警电路，对电动自行车的追尾防撞进行语音报警，最终实现了电动自行车追尾防撞报警系统。为了保证一定的准确度，系统采用DS18B20温度传感器测量环境温度，对超声波测距公式不断进行修正。

关键词 电动自行车追尾防撞报警；系统结构；硬件设计；软件设计

中图分类号TP368.1 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）56-0121-02

Abstract At present, the security problems of electric bicycles are followed with interest by all circles. Based on the ultrasonic distance measuring technical, this paper takes the single chip microcomputer of MCS-51 series as control core; and the voice warning circuit is used to realize the rear-end collision of electric bicycles. Finally, the warning system of avoiding the rear-end collision between electric bicycles is implemented. In order to guarantee certain accuracy, the system measures the environmental temperature by the DS18B20temperature sensor, and modifies continuously the formula of the ultrasonic distance measurement.

Keywords warning the rear-end collision of electric bicycles; the structure of system; hardware design; software design

0 引言

近年来，电动自行车由于价格低廉、污染轻、使用便利等优点，深受广大消费者的青睐。但随着电动自行车的普及使用，相关的交通事故时有发生；其中追尾碰撞占有相当比例，给骑行者及其家庭带来了一定的经济损失，甚至造成生命威胁。

为了减少和避免电动自行车追尾碰撞交通事故的发生，本文基于超声波测距技术，提出并设计了电动自行车追尾防撞报警系统。当本车与前方车辆（物体）之间的距离小于安全距离时，系统将自动发出语音报警，提醒骑行者引起注意，及时采取措施，以保障安全。

需要指出的是，由于实际对系统测距的要求不是很高（一般只要求达到厘米级），同时考虑到电动自行车的技术指标和使用成本[1]，本文提出的电动自行车追尾防撞报警系统实现方案主要本着能用、实用、经济等原则进行设计的。

1 系统结构及工作原理

电动自行车追尾防撞报警系统的结构框图如图1所示。

系统工作原理如下：单片机的P1.0口输出频率为40kHz的方波信号，经功率放大后驱动超声波发射器，使之发出同频率的超声波信号[2]，与此同时计数器开始计时。超声波信号遇障碍物反射至超声波接收器，经过放大处理及脉冲整形后得到有效波形，形成中断信号，送入单片机的INT0口，使单片机的INT0产生中断，计数器停止计时，这样就可以得到超

声波从发射到接收的时间间隔t[3]。由超声波测距原理知道，本车与障碍物之间的距离d为：

d=v*t/2 （1）

而超声波的传播速度v与环境温度t有关，它们之间的关系为：

v=331.45+0.61t （2）

为了比较准确地计算出本车与障碍物之间的距离d，在系统中安置温度传感器，对环境温度进行实时测量[4]。当d的数值超过系统规定的安全距离大小时，启动语音报警功能，提醒骑行者注意，以便其及时做出处理。

图1 电动自行车追尾防撞报警系统结构框图

2 系统硬件设计

电动自行车追尾防撞报警系统的硬件结构如图2所示。

图2 电动自行车追尾防撞报警系统的硬件结构

整个系统的硬件主要由89C51单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、温度传感器和防撞报警信号电路等五部分组成。各部分功能如下：

1）89C51单片机作为系统的核心硬件，起着关键的作用，主要包括利用定时器溢出中断的方式在P1.0口产生对称的40kHz方波信号、温度信号的接收与超声波传播速度的修正、利用中断方式进行超声波传播计时、本车与障碍物之间距离d的计算处理以及防撞信号报警电路的触发等；

2）超声波发射电路的主要作用是发射40kHz方波信号（超声波），其具体结构如图3所示。该电路接收到来自89C51单片机P1.0口的40kHz方波信号，并将其分成两路，经过74HC04六反相器两次和一次放大，构成推拉式反向放大后，输出到超声波换能器，产生超声波，再将其发射出去[5]；

3）超声波接收电路主要由接收红外检波信号的专用芯片CX20106A实现，其内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。由于CX20106A芯片红外发射频率为38kHz ，可以适当设计其电路参数，用于接收40kHz的超声波信号。经过内部电路的一系列工作之后，CX20106A芯片输出中断信号给89C51单片机的INT0脚，说明检测到了由障碍物反射回来的超声波。超声波接收电路的具体实现如图4所示[6]；

图3 超声波发射电路

图4 超声波接收电路

4）本系统中，温度传感器采用美国DALLAS 公司生产的DS18B20数字式温度计。DS18B20采用单总线接口，与89C51单片机的P1.3口相连（见图2）。温度传感器的主要作用就是测量实时的环境温度，以便系统能准确地计算出超声波的实际传播速度，从而提高测距的精度；

5）防撞报警信号电路作为系统功能的执行部分，结构和原理比较简单，这里不再详细叙述。

4 系统软件设计

系统软件的设计主要包括如下两个方面：1）40kHz方波信号的产生；2）防撞报警功能的实现。根据实际方案，产生40kHz方波信号的程序作为系统的子程序，而防撞报警功能的实现程序作为系统的主程序[7]。其程序流程图分别如图5、图6所示。

5 结论

本系统利用超声波测距技术，以89C51单片机作为核心控制器件，采用语音报警电路，对电动自行车的追尾防撞情况进行语音报警，既实用有效、又经济实惠，基本满足大多数用户需求，有着广阔的应用前景。然而，其参考价格可能一时会成为推广瓶颈。因此，如何进一步改进系统的实现方案，尤其是在硬件设计方面下功夫，真正使用户感受到价廉物美，是今后进一步深入探索和研究电动自行车追尾防撞技术的一个重要课题。

图5 系统子程序流程图 图6 系统主程序流程图

参考文献

[1]叶震涛.电动自行车产品主要技术指标解读[J].监督与选择，2008(6)：25-26.

[2]Matthew I.Hailer, and Butrus T.Khuri-Yakub. A Surface Micromachined Electrostatic Ultrasonic Air Transducer.IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, 1996, 43(1)：1.

[3]肖炎根.基于超声波的语音测距仪的设计[J].现代电子技术，2008(11)：127-129，132.

[4]罗小燕，谭厚初.超声波测距系统中抗干扰措施的研究[J].江西理工大学学报，2006(12)：67-69.

[5]宋永东，周美丽，白宗文.高精度超声波测距系统设计[J].现代电子技术，2008(15)：137-139.

[6]曹玲芝，任亚萍，刘建.超声波避撞预警系统的研究[J].微计算机信息，2006(32)：93-95，306.

[7]刘凤然.基于单片机的超声波测距系统[J].信号与处理，2001(5)：29-32.