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摘 要：对现有倒车防撞装置进行优化提升，设计了一种综合性汽车倒车防撞系统。基于单片机STM32为主要控制核心，利用超声波技术和相关控制电路等，完成倒车系统距离检测、显示、预警基础功能。同时新增智能制动和安全保护装置，实现倒车过程中的二次保护。介绍了系统装置各模块设计方案，给出了保护装置的设计结构和应用原理。系统各功能模块相互协调，性能稳定，倒车安全性能进一步得到保障。
关键词：STM32;超声波;预警;安全保护
1、引言
在交通安全事故中，汽车追尾和倒车碰撞是时有发生的，而汽车倒车防撞装置对其有一定的预防作用。当前，汽车倒车防撞的主要研究内容是基于障碍物距离监测、语音报警和液晶显示三方面来不断提高汽车的安全性能的，但这三方面有一定的局限性，在实际应用过程中由于系统测距精度误差，系统和作用人员的延时等原因仍有一定的安全隐患，需进一步的发展和创新[1]。本研究针对当前汽车倒车时所存在的一些问题，在已有的技术基础上，完善现有汽车倒车防撞功能，同时新增汽车智能制动和安全保护囊这两项具有提升总体防撞性能的功能，利用单片机和超声波技术等特点，进一步地将防撞技术的各部分进行改进提升和相互结合[2]。
2、系统总体方案设计
该综合性防撞系统整体上具有距离检测，距离显示，语音预警，智能制动与安全保护5个综合性功能。如图1所示，系统工作过程中，在基于STM32单片机的控制下，超声波传感器发射超声波到空气中，同时单片机中的定时器开启，直至超声波遇障碍物反射后使传感器遇回波时停止计时。再由单片机进行相关数据处理，根据温度环境等影响得出相应的传播声速，进而计算出距离，由计算出的距离与设定的距离比较，再在单片机的控制下执行相应的报警、制动和安全保护措施。
3、系统硬件设计
3.1单片机主控模块
本综合性倒车防撞系统以STM32单片机作为主要控制单元。其主要由控制单元、从属单元和总线矩阵三大部分组成[3]。单片机主要负责完成各个模块的初始化工作，发射和接收反射回的超声电波，控制显示器显示，控制声光报警电路，实现系统智能制动和控制保护装置。其中单片机的I/O口、定时器、中断系统等功能可以实现系统装置的对应功能。I/O口用来控制制动系统的智能制动和安全保护装置的安全囊弹出，定时器和中断系统用来产生相应的超声波及障碍物距离检测。
3.2测距模块
超声波测距在中长距离的测距精度高，易于控制，能量消耗慢，且成本低，安全因素较高。因此该汽车倒车防撞系统测距模块拟采用超声波测距。
超声波测距可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。常采用度越时间检测法方式进行超声测距。其主要原理为：检测从发射传感器经气体介质传播到接受传感器的时间，测出发射和接收回波的时间差，并由公式S=求出相应检测距离（C为音速）。由于音速C与温度T有关[4]，因此，在测距环节中，需要考虑温度对测量精度的影响，在本系统中加入了温度补偿电路，可根据实际现场温度的温度值进行音速的温度补偿。
3.3语音预警模块
综合考虑防撞系统造价和简易结构，选取蜂鸣器和发光二级管进行声光预警。报警部分利用单片机控制输出一定频率的信号，当系统检测距离小于预定的设置距离时，单片机I/O输出一低电平信号，电路导通，蜂鸣器实现声光预警。由于蜂鸣器的工作电流较大，单片机的I/O口难以直接驱动蜂鸣器工作，因此在电路中连接一个PNP三极管用以放大电流。
3.4 显示模块
考虑该倒车系统需要显示测量距离，设定距离，温度等多方面的数据，因此倒车系统拟采取LCD1602液晶屏显示。如图2所示，通过LCD1602液晶显示屏第一行实时显示倒车超声测量的距离，以及通过温度传感器DS18B20实时显示当前环境温度数值，液晶第二行顯示设置的安全报警距离数值。
3.5 制动系统模块
汽车制动时通常使刹车片被挤压在刹车盘或刹车鼓上产生摩擦，从而达到车辆减速刹车的目的。本系统装置由电控制动，单片机I/O口，三极管（PNP）放大器，继电器，电磁铁，尾部两摩擦面组成。其中三极管用以对I/O口输出电流放大，继电器实现对较大电流的驱动电机电路控制。当系统检测距离大于预警距离时，单片机I/O输出一定频率信号，线圈通电，电磁铁磁化，产生吸力将尾部两摩擦面分开，电机自由旋转;反之当系统检测距离小于预警距离时，单片机I/O口改变输出电平信号，线圈断电，通过弹簧回复力，两摩擦面结合，让电机制动。
3.6 安全保护装置模块
安全保护装置总体结构设计图如图3所示，其主要由挡块、启动开关、保护囊、推杆、弹簧及其余支撑座组成。通过滑槽作为保护装置输送方式，弹簧作为力驱动，挡块实现力阻限制，使安全保护装置功能的实现更为高效便捷，以进行倒车过程中缓冲减震作用。
安全保护装置与制动系统是同时作用的，当系统的测量模块的检测距离小于系统预定制动距离时，单片机I/O口改变输出电平信号，使制动系统和保护装置同时工作，电机停转，启动开关开启，挡块下落，保护囊在弹簧的作用下弹出，以更安全的实现汽车倒车预警过程。
4、系统软件设计
如图4所示，本综合性防撞系统是基于单片机STM32的控制下进行的程序设计，采用C语言编写，整个软件系统主要包括主程序，发射子程序，外部中断子程序，液晶显示子程序，主动制动子程序和安全保护子程序。主程序以单片机程序为主体，系统软件主体功能在单片机主体程序中实现，主程序调用子程序及中断服务子程序等完成相应的软件控制[5]。
5、结论
本倒车防撞系统以单片机为控制核心，可实现汽车倒车过程中的距离检测、距离显示、声光预警、紧急制动和安全保护5项功能。其中紧急制动和安全保护设置是在系统的二次预警过程中实现的，能够实现对汽车倒车过程中的二次保护，很大程度上提高了汽车倒车时的安全性能。
参考文献
[1]孙乐春.汽车安全系统现状研究[J].山东工业技术，2014（19）：50.
[2] V.A.Barkhatov.Normalizing ultrasonic pulses in time-delay and distance measuring systems[J].Russian Journal of Nondestructive Testing-2014，456.
[3]韩韧，金永威，王强.基于STM32和超声波测距的倒车雷达预警系统设计[J].传感器与微系统，2016，35（04）：63-66.
[4]JonpaulJandu.Preventing automotive backoveraccidents.Intersil，Electronic Engineering & Product World，2018，003.
[5]Machtei Eli E，ZigdonHadar，Levin，Liran，Peled Micha.Novel ultrasonic device to the distance from the bottom of the osteotome to various anatomic landmarks.[J].Journal of Periodontology.2010.817.
西南科技大学创新基金项目CX19-119-汽车倒车防撞综合性系统.
关键词：STM32;超声波;预警;安全保护
1、引言
在交通安全事故中，汽车追尾和倒车碰撞是时有发生的，而汽车倒车防撞装置对其有一定的预防作用。当前，汽车倒车防撞的主要研究内容是基于障碍物距离监测、语音报警和液晶显示三方面来不断提高汽车的安全性能的，但这三方面有一定的局限性，在实际应用过程中由于系统测距精度误差，系统和作用人员的延时等原因仍有一定的安全隐患，需进一步的发展和创新[1]。本研究针对当前汽车倒车时所存在的一些问题，在已有的技术基础上，完善现有汽车倒车防撞功能，同时新增汽车智能制动和安全保护囊这两项具有提升总体防撞性能的功能，利用单片机和超声波技术等特点，进一步地将防撞技术的各部分进行改进提升和相互结合[2]。
2、系统总体方案设计
该综合性防撞系统整体上具有距离检测，距离显示，语音预警，智能制动与安全保护5个综合性功能。如图1所示，系统工作过程中，在基于STM32单片机的控制下，超声波传感器发射超声波到空气中，同时单片机中的定时器开启，直至超声波遇障碍物反射后使传感器遇回波时停止计时。再由单片机进行相关数据处理，根据温度环境等影响得出相应的传播声速，进而计算出距离，由计算出的距离与设定的距离比较，再在单片机的控制下执行相应的报警、制动和安全保护措施。
3、系统硬件设计
3.1单片机主控模块
本综合性倒车防撞系统以STM32单片机作为主要控制单元。其主要由控制单元、从属单元和总线矩阵三大部分组成[3]。单片机主要负责完成各个模块的初始化工作，发射和接收反射回的超声电波，控制显示器显示，控制声光报警电路，实现系统智能制动和控制保护装置。其中单片机的I/O口、定时器、中断系统等功能可以实现系统装置的对应功能。I/O口用来控制制动系统的智能制动和安全保护装置的安全囊弹出，定时器和中断系统用来产生相应的超声波及障碍物距离检测。
3.2测距模块
超声波测距在中长距离的测距精度高，易于控制，能量消耗慢，且成本低，安全因素较高。因此该汽车倒车防撞系统测距模块拟采用超声波测距。
超声波测距可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。常采用度越时间检测法方式进行超声测距。其主要原理为：检测从发射传感器经气体介质传播到接受传感器的时间，测出发射和接收回波的时间差，并由公式S=求出相应检测距离（C为音速）。由于音速C与温度T有关[4]，因此，在测距环节中，需要考虑温度对测量精度的影响，在本系统中加入了温度补偿电路，可根据实际现场温度的温度值进行音速的温度补偿。
3.3语音预警模块
综合考虑防撞系统造价和简易结构，选取蜂鸣器和发光二级管进行声光预警。报警部分利用单片机控制输出一定频率的信号，当系统检测距离小于预定的设置距离时，单片机I/O输出一低电平信号，电路导通，蜂鸣器实现声光预警。由于蜂鸣器的工作电流较大，单片机的I/O口难以直接驱动蜂鸣器工作，因此在电路中连接一个PNP三极管用以放大电流。
3.4 显示模块
考虑该倒车系统需要显示测量距离，设定距离，温度等多方面的数据，因此倒车系统拟采取LCD1602液晶屏显示。如图2所示，通过LCD1602液晶显示屏第一行实时显示倒车超声测量的距离，以及通过温度传感器DS18B20实时显示当前环境温度数值，液晶第二行顯示设置的安全报警距离数值。
3.5 制动系统模块
汽车制动时通常使刹车片被挤压在刹车盘或刹车鼓上产生摩擦，从而达到车辆减速刹车的目的。本系统装置由电控制动，单片机I/O口，三极管（PNP）放大器，继电器，电磁铁，尾部两摩擦面组成。其中三极管用以对I/O口输出电流放大，继电器实现对较大电流的驱动电机电路控制。当系统检测距离大于预警距离时，单片机I/O输出一定频率信号，线圈通电，电磁铁磁化，产生吸力将尾部两摩擦面分开，电机自由旋转;反之当系统检测距离小于预警距离时，单片机I/O口改变输出电平信号，线圈断电，通过弹簧回复力，两摩擦面结合，让电机制动。
3.6 安全保护装置模块
安全保护装置总体结构设计图如图3所示，其主要由挡块、启动开关、保护囊、推杆、弹簧及其余支撑座组成。通过滑槽作为保护装置输送方式，弹簧作为力驱动，挡块实现力阻限制，使安全保护装置功能的实现更为高效便捷，以进行倒车过程中缓冲减震作用。
安全保护装置与制动系统是同时作用的，当系统的测量模块的检测距离小于系统预定制动距离时，单片机I/O口改变输出电平信号，使制动系统和保护装置同时工作，电机停转，启动开关开启，挡块下落，保护囊在弹簧的作用下弹出，以更安全的实现汽车倒车预警过程。
4、系统软件设计
如图4所示，本综合性防撞系统是基于单片机STM32的控制下进行的程序设计，采用C语言编写，整个软件系统主要包括主程序，发射子程序，外部中断子程序，液晶显示子程序，主动制动子程序和安全保护子程序。主程序以单片机程序为主体，系统软件主体功能在单片机主体程序中实现，主程序调用子程序及中断服务子程序等完成相应的软件控制[5]。
5、结论
本倒车防撞系统以单片机为控制核心，可实现汽车倒车过程中的距离检测、距离显示、声光预警、紧急制动和安全保护5项功能。其中紧急制动和安全保护设置是在系统的二次预警过程中实现的，能够实现对汽车倒车过程中的二次保护，很大程度上提高了汽车倒车时的安全性能。
参考文献
[1]孙乐春.汽车安全系统现状研究[J].山东工业技术，2014（19）：50.
[2] V.A.Barkhatov.Normalizing ultrasonic pulses in time-delay and distance measuring systems[J].Russian Journal of Nondestructive Testing-2014，456.
[3]韩韧，金永威，王强.基于STM32和超声波测距的倒车雷达预警系统设计[J].传感器与微系统，2016，35（04）：63-66.
[4]JonpaulJandu.Preventing automotive backoveraccidents.Intersil，Electronic Engineering & Product World，2018，003.
[5]Machtei Eli E，ZigdonHadar，Levin，Liran，Peled Micha.Novel ultrasonic device to the distance from the bottom of the osteotome to various anatomic landmarks.[J].Journal of Periodontology.2010.817.
西南科技大学创新基金项目CX19-119-汽车倒车防撞综合性系统.