基于AT89C51單片機和CAN總線器件實現(xiàn)汽車輪差預警系統(tǒng)的設計

1 內(nèi)輪差原理

內(nèi)輪差是車輛轉(zhuǎn)彎時的前內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑與后內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑之差。由于內(nèi)輪差的存在，車輛轉(zhuǎn)彎時，前、后車輪的運動軌跡不重合。內(nèi)輪差的大小與轉(zhuǎn)動方向盤的幅度和車輛軸距的長短有關，方向盤轉(zhuǎn)動幅度越大即轉(zhuǎn)向角度越大，內(nèi)輪差越大，反之越小;車輛的軸距越長，內(nèi)輪差越大，反之則越小。重型汽車車身都比較長，尤其是車頭轉(zhuǎn)過去后，還有很長的車身沒有轉(zhuǎn)過來，極易形成大型車輛司機的“視覺盲區(qū)”，路人步入內(nèi)輪范圍后，容易造成生命危險。如圖1中的陰影部分為內(nèi)輪差的形成區(qū)域。

圖1 內(nèi)輪差示意圖

2 超聲波預警原理

2.1超聲波測距原理

諧振頻率高于20KHZ的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播，頻率越高，則繞射能力越弱，反射能力越強。超聲波測距的方法多種多樣，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限;聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文采用往返時間檢測法，其工作原理是：使超聲波發(fā)射探頭向介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖，聲波遇到被測物體后必有反射波作用于接收探頭。若已知介質(zhì)中的聲速為V，發(fā)射脈沖時刻與第一個反射波到達時刻的時間差為 T，則探頭與被測物體距離S=VT/2，對距離值改變的測算可以實現(xiàn)所需的控制目的。超聲波的速度V與溫度相關，空氣中的聲速與溫度的關系可表示為：

2.2 輪差檢測中超聲波傳感器的布置

汽車在行駛中即會向左側(cè)轉(zhuǎn)彎也會向右側(cè)轉(zhuǎn)彎，因此超聲波傳感器應該在車身的兩邊對稱安裝。本系統(tǒng)中一共需要安裝三對傳感器，一對安裝在前輪附近，為了提醒司機轉(zhuǎn)彎時車身后面是否會撞到轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的物體;第二對安裝在軸距中間附近，為了防止有物體在汽車轉(zhuǎn)彎時突然出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè);第三對安裝在后輪附件，為了及時提醒司機危險狀況。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)將單片機技術(shù)、超聲波測距技術(shù)與CAN總線通信技術(shù)等相結(jié)合，可檢測汽車在轉(zhuǎn)彎過程中汽車內(nèi)側(cè)狀況。預警系統(tǒng)的三對測距傳感器獨立工作，通過CAN 總線經(jīng)接口芯片PCA82C250驅(qū)動將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街?a target="_blank">控制器。測距采用SensComp 600傳感器和SensComp 6500超聲波距離模塊;單片機采用低成本的AT89C51主要功能為：1、用于控制測距傳感器并把測量數(shù)據(jù)實時通過CAN控制器SJA1000發(fā)送到 CAN總線上;2、通過溫度傳感器DS18B20傳送過來的溫度參數(shù)，修正超聲波在空氣中的傳播速度;在PCA82C250與SJA1000之間還增加了高速線性光耦6N137進行隔離，有效地防止汽車在惡劣工作環(huán)境下的瞬態(tài)干擾，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。因為三對測距傳感器硬件系統(tǒng)完全相同，此次只用一個進行說明，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輪差預警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 CAN總線通信模塊

CAN總線協(xié)議遵循ISO的標準模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器了實現(xiàn)的。CAN總線器件可大體分為兩種類型，其一種是帶片上CAN控制器，如87C196CA/CB、MC6837等;另一種的CAN控制器獨立需要和微處理器一起使用，如Philips SJA1000、Intel公司82526及MCP251。前者多用在許多特定情況下，使用集成器件方便用戶制作印制板，使得電路設計簡化、緊湊，效率提高;后者使用上比較靈活，它可以與多種類型的單片機、微型計算機的各類總線進行接口組合。在本系統(tǒng)中，結(jié)合前面選擇的微控制器綜合考慮，選Philips 半導體公司的SJAl000作為獨立CAN控制器。SJA1000的主要特性：擴展接收緩沖器（128字節(jié)FIFO）;支持CAN 2.0B協(xié)議;同時支持11位和29位標識符;位通訊速率為1Mbits/s;增強CAN模式（PeliCAN）;采用24MHz時鐘頻率;支持多種微處理器接口;可編程CAN輸出驅(qū)動配置;工作溫度范圍為-40℃～+125℃，足以適應各種惡劣環(huán)境。CAN總線驅(qū)動器選用Philips公司的 PCA820250，它具有高速性（最高速度可達1Mbps），能滿足自制動等實時性要求較高的控制需要;具有抗瞬間干擾保護總線的能力，具有降低射頻干擾的斜率控制。此外，它可以與110個節(jié)點相連，能夠防止電源與地之間發(fā)生短路，并且當某個節(jié)點掉電時不影響總線。

CAN總線通信模塊主要有AT89C5l微控制器、獨立CAN通信控制器SJAlO00和CAN總線驅(qū)動器PCA82C250組成。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設計在SJAl000和CAN總線驅(qū)動器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當微處理器AT89C51將測距結(jié)果數(shù)據(jù)通過P0口發(fā)送到CAN總線控制器SJAl000，由SJAl000將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)從端口TX0發(fā)出，經(jīng)過光電隔離器6N137后到達CAN總線驅(qū)動器PCA82C250，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。相反，來自CAN總線的數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過相應電路到達微處理器。這樣就可以實現(xiàn)超聲波測距傳感器與上位機的通信功能。

3.2 超聲波傳感器介紹

本系統(tǒng)采用單片機AT89C51來實現(xiàn)對SensComp 600系列超聲波傳感器和SensComp 6500超聲波測距模塊的控制。SensComp 600系列靜電換能器的頻率為50kHz;測量范圍為6英寸到35英尺（0.15米～10.7米）。配合SensComp的6500驅(qū)動電路時傳感器測量范圍能從2.5厘米到15.2米。AT89C51通過P1.0引腳控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，如圖3所示為超聲波測距的硬件示意圖。

圖3 超聲波測距電路的硬件示意圖

3.3 溫度補償設計

由于溫度每改變10℃，聲速改變量為0.6m/s，因此溫度對測距的影響是相當大的。為了更精確的實現(xiàn)檢測功能，本設計使用了美國DALLAS半導體公司的單線溫度傳感器DS18B20。該傳感器能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，測溫范圍 -55℃～+125℃，精度達±0.5℃，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，整個產(chǎn)品體積小、價格低、使用靈活，在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面都能夠滿足系統(tǒng)的要求。如圖4為溫度傳感器與單片機的連接原理圖。

圖4 溫度校正部分原理圖

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件采用模塊化設計，程序由主程序、測距子程序、CAN總線通信子程序等模塊組成。調(diào)試過程中對其中每個功能模塊和子程序逐一調(diào)試，在每個子程序都完成其指定的功能后，再進行整合完成最后的綜合調(diào)試。輪差預警系統(tǒng)的主程序流程圖、測距子程序流程圖分別如圖5、6所示。汽車轉(zhuǎn)彎時啟動預警系統(tǒng)，AT89C51先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器T0開始計時。我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，在發(fā)送完16 個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時表明信號已經(jīng)返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)結(jié)合溫度傳感器送來的現(xiàn)場溫度經(jīng)過校正換算，可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的真實距離;然后顯示測距結(jié)果，若測距結(jié)果低于設定閥值則產(chǎn)生報警信號;最后把得到的距離數(shù)據(jù)實時的通過CAN總線網(wǎng)絡向汽車主控制器發(fā)送，這樣就可以實現(xiàn)預警系統(tǒng)與CAN網(wǎng)絡其他節(jié)點和上位機的通信和網(wǎng)絡控制功能。

5 結(jié)論

本文提出了一種應用于重型汽車的輪差預警系統(tǒng)，基于超聲脈沖測距原理進行測距，根據(jù)現(xiàn)場溫度對數(shù)據(jù)進行校正，并通過CAN總線將輪差預警系統(tǒng)與汽車的數(shù)字化平臺接軌，降低了環(huán)境因素的影響，提高了系統(tǒng)的檢測精度。根據(jù)障礙物到車體的距離遠近進行實時顯示，當該計算距離小于安全距離時，可以進行預警，提醒司機采取必要措施以避免發(fā)生碰撞事故。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，可以經(jīng)濟、有效地降低大型汽車輪差事故發(fā)生率，具有很好的應用前景。

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