基于紅外探測的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)汽車在啟停階段的視野盲區(qū)與行駛時(shí)有所不同，具體分析了啟停階段盲區(qū)的分布情況。結(jié)合紅外傳感技術(shù)進(jìn)行了基于紅外探測的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件程序的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了電路仿真，其結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的可行性。

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，私家車的數(shù)量持續(xù)增長。駕駛汽車時(shí)，駕駛員由于車輛的設(shè)計(jì)或其他可能的原因會(huì)存在一定的視野盲區(qū)，而這些視野盲區(qū)在一些情況下會(huì)導(dǎo)致兒童傷害事故，在汽車的正前方，兒童身高小于80cm 時(shí)，司機(jī)是看不到的；左右外后視鏡與和內(nèi)后視鏡夾角盲區(qū)大致為寬15cm 長110cm 高115cm 的空間；在汽車的正后方，兒童身高小于110cm 時(shí)，司機(jī)不能通過內(nèi)外后視鏡看到。因此，急需一套有效的汽車輔助系統(tǒng)來避免此類事故。

1車輛視野盲區(qū)概況

汽車啟停盲區(qū)的類型有以下幾種：前后盲區(qū)、后視鏡盲區(qū)、AB 柱盲區(qū)、人為盲區(qū)。如圖1 所示。

（1）前盲區(qū)：前盲區(qū)是存在于車輛引擎蓋之前易被忽視的扇形區(qū)域的統(tǒng)稱，車輛的前盲區(qū)普遍存在于各類汽車。汽車前盲區(qū)與車長、座椅高、車頭形狀等有關(guān)。前盲區(qū)是由視線與汽車引擎蓋交匯所形成的扇形區(qū)域。包括車頭盲區(qū)和左右輪盲區(qū)。左前輪與右前輪旁的視野盲區(qū)是由于汽車兩側(cè)引擎蓋與人的視線交匯后視線所涉及不到的區(qū)域。由于我國法律規(guī)定汽車使用左舵式，一般來說，左前輪盲區(qū)略小于右前輪盲區(qū)，如圖1、圖2、圖3 所示。

（2）后盲區(qū)：后盲區(qū)也是車輛所固有的盲區(qū)，在車輛兩側(cè)車門外側(cè)30°左右的范圍內(nèi)屬于司機(jī)的后視野盲區(qū)的一部分。車尾至地面以及車尾后的部分延伸區(qū)域也屬于后盲區(qū)的一部分。如圖4 所示。在汽車啟停時(shí)，后盲區(qū)是造成倒車時(shí)許多碾壓事故的禍源。在該區(qū)域內(nèi)，司機(jī)完全無法通過視覺來判定其安全狀況，這會(huì)帶來極大的安全隱患。

（3）后視鏡盲區(qū)：后視鏡盲區(qū)。為了方便駕駛員不用大范圍移動(dòng)頭部而觀察到車周情況，汽車皆配備有后視鏡以輔助駕駛員觀察附近環(huán)境。但是礙于車輛設(shè)計(jì)和應(yīng)用的限制，后視鏡無法為駕駛員提供完全的車周安全信息。在啟停階段的后盲區(qū)是由于駕駛員視線以及后視鏡視線所不及之處造成的，其具體位置為視線被后備箱遮擋造成的一個(gè)楔形區(qū)域以及后輪后地面與車底盤形成的盲區(qū)。如圖4所示。

（4）AB 柱盲區(qū)：汽車的擋風(fēng)玻璃由兩車身框架固定其范圍，這兩個(gè)約束擋風(fēng)玻璃范圍的左右兩柱被稱為A 柱和B 柱。AB 柱盲區(qū)完全由汽車設(shè)計(jì)的AB 柱材質(zhì)和大小、形狀、寬度決定，越寬的AB 柱越容易導(dǎo)致視野盲區(qū)內(nèi)安全事故的發(fā)生。同理，A、B 柱會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)司機(jī)獲取周邊路面環(huán)境信息帶來障礙，是引發(fā)事故的重大誘因。

（5）人為盲區(qū)：在汽車設(shè)計(jì)帶來的以上四種盲區(qū)外，還有人為因素會(huì)改變車輛原有的視野范圍，進(jìn)而增加新的視野盲區(qū)或加大已有盲區(qū)范圍。如：非法改裝車輛后添加的物體、為防曬而設(shè)置的顏色過深的窗紙、缺少擦拭汽車后視鏡和玻璃的良好習(xí)慣、車內(nèi)擺件過多等。這些人為因素是造成部分盲區(qū)的原因同時(shí)也是某些事故不可忽視的致因。人為盲區(qū)的解決依賴于駕駛員素質(zhì)和技術(shù)的提升，同時(shí)可使用安全系統(tǒng)監(jiān)測裝置做到輔助駕駛員的積極作用。

2熱釋電紅外傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

在汽車啟停階段，駕駛員的視野盲區(qū)與正常行駛階段的視野盲區(qū)不同，許多正常行駛中不必考慮的盲區(qū)范圍反而是導(dǎo)致啟停階段盲區(qū)的主要原因，本系統(tǒng)基于以人為本的安全理念，以協(xié)助駕駛員判斷啟停盲區(qū)內(nèi)是否存在人員

圖1 啟停盲區(qū)俯視圖

圖2 底盤盲區(qū)圖

圖3 前盲區(qū)側(cè)視圖

圖4 車尾盲區(qū)

作為設(shè)計(jì)目的，因此，能對(duì)人體發(fā)出的特殊波長的紅外線做出響應(yīng)的熱釋電紅外傳感器是本系統(tǒng)的首選。同時(shí)因?yàn)楸鞠到y(tǒng)需要對(duì)底盤盲區(qū)內(nèi)的盲區(qū)安全情況做出判斷，傳統(tǒng)超聲波傳感器不適用于此處盲區(qū)，因此使用熱釋電紅外傳感器來作為探測器可以準(zhǔn)確對(duì)盲區(qū)內(nèi)安全情況做出判斷。

車周圍盲區(qū)人體監(jiān)測部分設(shè)計(jì)主要是基于熱釋電紅外傳感技術(shù)安全參數(shù)的監(jiān)測傳感器，在了解掌握熱釋電紅外傳感器工作原理后，對(duì)熱釋電紅外傳感器進(jìn)行選型。熱釋電紅外傳感器目前已得到成熟的運(yùn)用，在使傳感器小型化和經(jīng)濟(jì)的同時(shí)熱釋電紅外傳感器已可以作為獨(dú)立的功能模塊而被使用。模塊化的紅外傳感器具有方便使用、可靠性高的特點(diǎn)。通過調(diào)查分析可知，紅外傳感器可以僅對(duì)人體做出反應(yīng)且不會(huì)對(duì)其他干擾因素產(chǎn)生影響。且紅外傳感器已高度模塊化，其應(yīng)用和電路設(shè)計(jì)已十分簡便，其耐久性和實(shí)用性、安全性完全可以滿足啟停階段視野盲區(qū)安全檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。由于物體都會(huì)散發(fā)不同波長的紅外線，而人體溫度相近散發(fā)的紅外線波長也近似。通過調(diào)節(jié)熱釋電紅外傳感器模塊上的菲涅爾透鏡即可將投射到熱釋電感應(yīng)源上的紅外線波長進(jìn)行篩選，從而完成對(duì)人體的專一監(jiān)測。

通電后，當(dāng)監(jiān)測對(duì)象出現(xiàn)在探測范圍內(nèi)時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)識(shí)別到監(jiān)測對(duì)象并改變自身的電平狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測到人體時(shí)，高電平開啟并通過輸出端輸出高電平，當(dāng)監(jiān)測對(duì)象離開時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉高電平輸出且恢復(fù)低電平監(jiān)測狀態(tài)。

2.1熱釋電傳感器選型

紅外傳感器檢測人體時(shí)，探頭是以探測人體輻射為目標(biāo)的，因此要著重考慮探頭的特性。HC-SR501 是基于紅外線技術(shù)的控制模塊，主要參數(shù)見表1。采用LHI778 探頭設(shè)計(jì)，具有靈敏度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

表1 HC-SR501熱釋電紅外傳感器技術(shù)參數(shù)表

同時(shí)該型號(hào)紅外傳感器具有兩種觸發(fā)方式，可重復(fù)觸發(fā)模式與不可重復(fù)觸發(fā)模式，在重復(fù)觸發(fā)模式下模塊每完

圖5 程序設(shè)計(jì)框圖

圖6 系統(tǒng)模塊圖

圖7 HC-SR501熱釋電紅外線傳感器應(yīng)用接線圖

成一次工作循環(huán)后會(huì)進(jìn)入檢測模式并在有監(jiān)測對(duì)象進(jìn)入監(jiān)測范圍時(shí)再次觸發(fā)高電平。不可重復(fù)觸發(fā)模式下，熱釋電傳感器模塊將在一次監(jiān)測完成后自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉，不再進(jìn)入監(jiān)測模式。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的真實(shí)需要，采用可重復(fù)觸發(fā)模式即可完成相關(guān)功能要求。

2.2安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在使用環(huán)境下，被檢測對(duì)象（人等）進(jìn)入盲區(qū)范圍。人體所發(fā)出的特殊波長紅外線被傳感器捕獲，傳感器輸出狀態(tài)改變且單片機(jī)處理器感應(yīng)到電路信號(hào)的變化激活報(bào)警模塊，至此完成一次完整的探測-處理-報(bào)警過程，如無監(jiān)測對(duì)象進(jìn)入盲區(qū)則傳感器保持靜默的低電平輸出，電路不作出反應(yīng)并延時(shí)關(guān)閉。

（1）程序框圖如圖5。

（2）單片機(jī)匯編

IWT1：PUSH ACC

PUSH PSW

SETB RSO

SETB P10

MOV R4，#06H

Loop4 MOV R3，#08H

Loop3 MOV R3，#0c8H

Loop2 MOV R1，#0FAH

Loop1：DJWZ R1,Loop1

DJWZ R2,Loop2

DJWZ R3，Loop3

DJWZ R4，Loop4

CLR P1.0

CLR RSO

POP PSW

POP ACC

RETI

（3）硬件組成

通過前文對(duì)啟停階段盲區(qū)的分布的探索，需設(shè)定6 個(gè)熱釋電紅外線傳感器、1 個(gè)蜂鳴器（駕駛室內(nèi)）。由于本系統(tǒng)采用汽車點(diǎn)火模塊供電，因此不另設(shè)電池設(shè)備，不設(shè)置電池模塊使該裝置減少駕駛員使用成本和學(xué)習(xí)成本。本系統(tǒng)的模型框圖如圖6。

（4）熱釋電紅外傳感器電路設(shè)計(jì)

HC-SR501 熱釋電紅外傳感器接報(bào)警指示燈與蜂鳴器應(yīng)用接線圖如圖7 所示。

圖7 中，引腳1為正電源接入端，引腳2 為高低電平輸出口，引腳3 為電源負(fù)極接口，H 為可重復(fù)觸發(fā)，L 為不可重復(fù)觸發(fā)，CDS為光敏控制。

由555 定時(shí)電路、穩(wěn)壓器、電阻、電容等組成汽車電子點(diǎn)火器電路。本電路主要是利用汽車上的+12V 電源，給汽車進(jìn)行電子點(diǎn)火。+12V 電壓經(jīng)IC1（7089）三端穩(wěn)壓器輸出9V 電壓，作為IC2（555）的供電源。555 和R1、R2、C2 等組成一個(gè)無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。一旦得電便起振，其振蕩頻率為f=1.44/（R2+2R1）C2。555（IC2）輸出的振蕩脈沖經(jīng)R3 限流加至VT1 的基極，經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)升壓變壓器T，在點(diǎn)火線圈上產(chǎn)生約1500 的點(diǎn)火電壓，它在高壓放電時(shí)的火花距離可達(dá)12μm。

（5）系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖8 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖9 仿真軟件界面圖

汽車點(diǎn)火需開關(guān)S 閉合，與此同時(shí)經(jīng)過分壓產(chǎn)生5V的電壓輸送至AT89c51 單片機(jī)的P3.3外部中端口，啟動(dòng)中斷程序，經(jīng)過P1.0 輸出高電平啟動(dòng)紅外熱釋電傳感器HC-SR501，啟動(dòng)時(shí)間為2 分鐘。若在此期間距離車輛規(guī)定范圍內(nèi)檢測到有人則通過蜂鳴器和燈報(bào)警，提醒駕駛員。如圖8 所示。

（6）電路仿真

汽車點(diǎn)火系統(tǒng)啟動(dòng)后開關(guān)（左側(cè)）閉合。汽車處于預(yù)備報(bào)警狀態(tài)，單片機(jī)輸出高電平（仿真模擬時(shí)間為10s），在10s 內(nèi)若有人在汽車周圍，紅外熱釋電檢測到兒童體溫（有兒童在汽車周圍），輸出高電平，模擬為右側(cè)接地開關(guān)斷開。與單片機(jī)高電平經(jīng)與門后輸出高電平。三極管基極收到高電平信號(hào)，啟動(dòng)三極管，蜂鳴器隨即報(bào)警（圖9）。

3結(jié)論與展望

設(shè)計(jì)基于紅外熱釋電探測的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)的作用是提高啟停盲區(qū)內(nèi)的安全性能并減少事故發(fā)生的可能性，進(jìn)而提高整體汽車運(yùn)行性能和效率。本文完成了對(duì)基于紅外熱釋電的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究及電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要研究成果如下：

（1）探索了啟停階段盲區(qū)的特點(diǎn)，了解啟停階段盲區(qū)與行駛中盲區(qū)的不同并研究了啟停階段盲區(qū)的分布狀況。

（2）構(gòu)思并設(shè)計(jì)了一套基于紅外探測的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)。將熱釋電紅外模塊與汽車點(diǎn)火模塊（供電）、單片機(jī)信號(hào)處理模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊共同組成基于紅外探測的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)。

（3）對(duì)本次設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了電路模擬并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化完善了本系統(tǒng)。結(jié)果顯示本次電路設(shè)計(jì)合理、電路邏輯正常，能滿足預(yù)期要求的設(shè)計(jì)功能。

基于紅外熱釋電傳感器進(jìn)行的研究，所考慮的監(jiān)測因素是人體和動(dòng)物所釋放出的特定波長的紅外熱釋電。不同的傳感器有其獨(dú)特的適用范圍，如超聲波、激光、圖形傳感器在不同環(huán)境下都可以起到監(jiān)測盲區(qū)內(nèi)安全狀況的作用。未來可將眾多不同功能的傳感器集成到某一個(gè)系統(tǒng)中，在任何情況下皆可完成對(duì)盲區(qū)內(nèi)安全情況的監(jiān)測，這樣就可以解決單一類型傳感器可能在某種特定天氣或物理環(huán)境下失效而影響檢測效果的問題，將極大的提高汽車的自動(dòng)化水平和盲區(qū)內(nèi)的安全性能。