基于单片机的汽车油门防误踩系统研究应用报告.doc

基于单片机汽车油门防误踩系统研究报告
设计者：唐洋、田恬、陈鹏、潘迪
指引教师：王起明
学院：机电工程学院

摘 要
本文简介了基于AT89S52单片机控制防止误踩汽车油门系统设计。运用角速度传感器、超声波距离传感器、LCD1602液晶显示屏、继电器控制电路、AT89S52单片机等构成此设计硬件某些。角速度传感器和超声波距离传感器将采集到角速度数据和距离数据传送给AT89S52单片机，单片机再对接受到数据进行解决和判断，将解决成果传送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某些，同步通过声光报警进行警示，实现此设计完全功能。
核心词：数据采集系统；角速度；距离；AT89S2；汽车

目 录
摘要·······························································2
第一章 绪论·······················································4
1.1 课题背景·················································4
1.2 研究意义···················································4
1.3 国内外研究现状·············································4
第二章 核心技术···················································6
2.1 汽车安全状态拟定·········································6
2.2 车前障碍物信息获取·······································6
2.3 误踩油门鉴定办法···········································6
2.3.1 误踩油门踏板角速度信息检测和判断···················7
2.3.2 前方障碍物距离检测和判断··························7
第三章 系统总体方案设计··········································9
3.1 系统总体方案··············································9
3.2 系统运转流程图············································9
第四章 系统分模块设计·········································11
4.1 系统硬件设计·············································11
4.2 电源电路设计·············································11
4.3 角速度传感器模块·········································12
4.4 超声波距离传感器模块·····································13
4.5 AT89S52单片机模块·······································15
4.6 显示模块·················································21
4.7 报警模块·················································23
第五章 调试及性能分析············································25
参照文献·························································27
附录·····························································28

第一章 绪论
1.1 课题背景
据新闻报道，4月28日上午7时45分，在社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；5月8日20时36分许，肇事司机肖某某驾驶客车，其在采用制动办法时误踩油门，使车辆加速行驶导致交通事故，致4车连撞，涉及张丽莉教师在内5名师生受伤；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，导致４人当场死亡、１人经急救无效死亡，３人受伤......一系列因司机误踩油门而发生交通事故不断给咱们敲响警钟！
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，同步司机误踩油门导致发生事故。机动车在道路上行驶时，一旦发生紧急状况，诸多司机特别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，诸多交通意外都是由于误踩油门所致，因此咱们设计了这一套基于单片机汽车油门防误踩系统，但愿可以解决这一问题。
1.3 国内外研究现状
近年来，油门误踩检测设备备受注重。本文列举两例阐述。
国内，北京科技大学尹怡欣专家设计出一套基于旋转编码器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，用于检测油门踏板下踩速度和到达位置，运用车辆速度信号，检测车辆加速度。在油门踏板下踩速度和到达位置超过阀值时，以为油门踏板误踩，信号解决单元将信号置为高电平输出。其中，信号解决单元由单片机STC12C5A60S2实现。实验表白，该装置检测油门误踩信号输出精确率高，但其需要一定反映时间，在瞬时性上尚有待完善。
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，该功能会减少发动机输出功率，在碰撞前自动实行制动。但该装置容易受到声波干扰，存在一定局限性。

第二章 核心技术
2.1 汽车安全状态拟定
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信息，进行逻辑判断，车辆与否正在处在安全行驶，并且给出刹车或者停车信号。国内外汽车防误踩油门系统在信号采集方面设立比较单一，例如通过检测油门踏板受力变化或者角速度变化，她们通过设定某一阈值作为判断车辆与否安全驾驶根据。这些办法比较局限，在实际驾驶中，遇到复杂路况，不能全方位收集路况信息，从而产生错误指令输出。
因此，本文拟采用AT89S52单片机，L3G4200角速度传感器和HC-SR04距离传感器相结合，提高信号采集可信度和传播速度，在事故未发生时，进入安全监控模式；在事故发生时，第一时间做出反映，将危害降到最低。
2.2 车前障碍物信息获取
障碍物信息获取中核心技术是车和前方障碍物和后方障碍物之间距离测量。当前，汽车上测距办法普通有超声波测距法、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、测距范畴小，多用于制造倒车雷达；红外测距法虽然构造简朴、价格低廉，但是其精度低，距离近，方向性差，容易受天气影响。现阶段，汽车避撞技术领域惯用测距技术涉及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毫米波雷达测距。
本文中，将使用超声波测量传感器模仿实际状况。
2.3 误踩油门鉴定办法
2.3.1 误踩油门踏板角速度信息检测和判断
因油门踏板角度不一致，在此设油门踏板和刹车踏板角度均为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。对于别的车型，需要依照车身零件参数而制定。
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
正常状况下：
V踩油门角速度max=45°/0.95s≈0.474°/s （2.1）
V紧急踩刹车角速度max=45°/0.15s≈300°/s （2.2）
误踩油门状况下：
V误踩油门角速度max=45°/0.15s≈300°/s （2.2）
由公式（2.2）将300°/s角度变化作为判断误踩油门阈值。
2.3.2 前方障碍物距离检测和判断
对于前方和后方障碍物距离检测，将影响整个系统判断。在此系统中，只检测前方障碍物距离。表2.2列举了安全间距与车速间关系。

表2.2 绝对安全间距与车速间关系

通过表中可以看出，车最低安全距离为4.6m，为保证足够反映时间，给人反映时间和系统反映时间，将单片机判断安全距离阈值设为4m。

第三章 系统总体方案设计
3.1 系统总体方案
通过对误踩油门鉴定办法研究和误踩油门状况下紧急制动办法研究，最红拟定系统总体方案：在汽车行驶过程中，防误踩油门系统不间断测量感知汽车与前方障碍物距离S和驾驶员踩踏油门踏板角速度变化。当S≥4m时，系统切入等待进入减速状态，当油门踏板角速度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，及时给汽车发出减速指令，使其进入减速状态；当S≤4m时，系统切入等待及时熄火制动并启动ABS系统和安全气囊状态，当油门当油门踏板角速度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，及时给汽车发出指令，使其及时关闭电子油门制动停止，并启动ABS系统和安全气囊。
为实现上述功能，该系统设计分为三个某些，涉及信号采集某些、中央控制单元和执行机构三个某些。基于系统功能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
信号解决和判断
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、 启动ABS和安全气囊
结束
系统初始化
采集车前与前方障碍物信息
判断≥4M？
急停待命
采集油门踏板角速度信息

刹车待命
采集油门踏板角速度信息

≥300°/S？
≥300°/S？
是
否
是
是
否

第四章 系统分模块设计
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
本系统供电需要+5V电压，因此采用长虹电器生产CH0500500型号充电器，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型号，可供顾客选取（±250/±500/±dps)。它涉及一种传感元件和一种I²C接口，可以提供角速度检测外部世界，通过一种数字接口（I²C/SPI)。16比特率值得数据输出，两个数字输出线（中断和dataready）,集成低和高通滤波器顾客可选带宽。嵌入式和睡眠模式，宽电源电压(2.4V-3.6V)，低电压兼容IOS（1.8V），高抗撞击能力，扩展工作温度范畴（-40℃到+85℃）。它可以应用于游戏盒虚拟现实输入设备，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。它是市面上成熟测量距离模块。

图4.4.1 超声波距离传感器

4.4.1 产品特色
1、典型工作用电压：5V
2、超小静态工作电流：不大于2mA
3、感应角度：不不不大于15度
4、探测距离：2cm-400cm
5、高精度：可达0.3cm
6、盲区（2cm）超近
7、完全兼容GH-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
本产品用法，控制口发出一种10us以上高电平，就可以在接受口等待高电平输出。一有输出就可以开始定期器及时，当此口变为低电平时就可以读定期器值，此时就为本次测距世间，方可算出距离。如此不断周期测，就可以达到你移动测量值了。
4.4.4 模块工作原理
1、采用IO触发测距，给至少10us高电平信号；
2、模块自动发送8个40khz方波，中检测与否有信号返回；
3、有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续时间就是；
4、超声波从发射到返回世间，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芯片简介
单片机是大规模集成电路结束发展产物，常用单片机有8051系列单片机、8096系列单片机、PIC系列、AVR系列、SPCE061A凌阳单片机。她将中央解决器(CPU)、存储器（ROM/RAM）、输入输出接口、定期器/记数器等重要计算机部件集成在一片芯片上，因而单片机被称为单片机微型计算机(Single Chip Microcomputer).单片机配上恰当外围设备和软件，便可构成一种单片机应用系统。本次设计对单片机规定：只要可以以便地扩展显示屏、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外设即可，其她并无特殊规定。故选取常用美国Inter公司生产MCS-51系列单片机，它具备可高性高、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、科研及寻常生活等各个领域。并且本组同窗也比较熟悉。
咱们选取ATMEL公司AT89S52单片机，她是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具备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容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，拥有机灵8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效解决方案。AT89S52管脚如图4.5.1所示：
AT89S52具备如下特点：
² 兼容MCS-51指令系统
² 32个双向I/O口
² 3个16位可编程定期/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0-33MHz
² 256×8bit内部RAM
² 低功耗空闲和省电模式
² 3级加密位
² 软件设立空闲和省电功能
² 双数据寄存器指针
² 8k可重复擦写(>1000次)ISP Flash ROM
AT89S52重要引脚重要功能：
VCC：接+5V电源。
GND：接地。
 P0口：P0口为一种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口具备内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接受指令字节；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。
P1口：P1口是一种内部提供上拉电阻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，被外部拉低引脚由于内部电阻因素，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定期器/记数器2外部记数输入(P1.0/T2)和定期器/记数器2触发输入(P1.1/T2EX),详细如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接受低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
P1.0
T2(定期器/记数器T2外部记数输入)，时钟输入
P1.1
T2EX(定期器/记数器T2捕获/重载触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
P2口：P2口是一种具备内部上拉电阻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，被外部拉低引脚由于内部电阻因素，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锁存器内容。在flash编程和校验时，P2口也接受高8位地址字节和某些控制信号。
P3口：P3 口是一种具备内部上拉电阻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，被外部拉低引脚由于内部电阻因素，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口也接受某些控制信号。
表4.5.2 各端口引脚与复用功能表
端口引脚
　　复用功能
P3.0
　RXD（串行输入口）
P3.1
　TXD（串行输出口）
P3.2
　（外部中断0）
P3.3
　（外部中断1）
P3.4
　T0（记时器0外部输入）
P3.5
　T1（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。看门狗计时完毕后，RST 脚输出96 个晶振周期高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上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 位地址输出脉冲。在flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在普通状况下，ALE以晶振六分之一固定频率输出脉冲，可用来作为外部定期器或时钟使用。然而，特别强调，在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8EHSFR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将被薄弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EHSFR第0位）设立对微控制器处在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外部程序存储器读取指令，必要接GND。
为了执行内部程序指令，应当接VCC。
在flash编程期间，也接受12伏VPP电压
XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路输入端。
XTAL2：振荡器反相放大器输出端。
4.5.2 AT89S52 最小系统设计
单片机系统是整个数控系统核心某些，重要涉及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，目是使CPU及个专用寄存器处在一种拟定初始状态。如前面简介，在单片机复位信号RST上保持2个机器周期以上高电平，单片机就会复位。本次设计采用是手动复位方式，运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。
(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时钟电路。图中晶振频率为11.0592MHz，外接晶体时，电容C3和C4普通选30pF。虽然对外接电容没有严格规定，但电容大小会影响振荡频率、振荡器稳定性和起振速度。振荡器这些特性对弹片机应用影响很大，因而在设计印刷电路板时，应使晶体和电容尽量与单片机接近，以保证稳定可靠。

4.6 显示模块
4.6.1 1602LCD显示
液晶显示屏由于体积小、质量轻、功耗低等特点，已成为各种便携式电子信息产品抱负显示屏。液晶显示屏普通可分为两大类，一是点阵型，二是字符型。普通字符型液晶只有两行，面积较小，能显示字符和某些很简朴图形；而点阵型液晶普通面积较大，可以显示图形和更多字符。为了以便设计，同步又能满足设计需要及尽量减少设计成本。因而，咱们选取1602LCD液晶显示屏。当前惯用16*1，16*2，20*2和40*2行等模块。针对此设计，咱们选用16*2模块。1602字符型液晶显示屏实物如图所示：
图4.6.1(a) 1602液晶显示屏

表4.6 1602引脚功能阐明
编号
符号
引脚阐明
编号
符号
引脚阐明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选取
12
D5
数据
5
R/W
读/写选取
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极

液晶显示模块是一种慢显示屏件，因此在执行每条指令之前一定要确认模块忙标志为低电平，表达不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3.2.5.2是1602内部显示地址。

图4.6.1(b) 1602LCD内部显示地址

4.6.2 LCD显示硬件电路
其电路原理图如图4.6.2所示：
图4.6.2 LCD显示硬件电路

4.7 报警模块
状况一、17引脚拉低，常闭继电器断开，断开电子油门，蜂鸣器响，7、8引脚拉低，灯闪烁模仿后灯闪烁；
状况二、16引脚拉低，常开继电器闭合，直流电机运转模仿减速，蜂鸣器响，7、8引脚拉低，灯闪烁模仿后灯闪烁；

图4.7 报警模块

第五章 调试及性能分析
功能基本实现。
角速度模块：敏捷度很高，采集速度快。如下图5.1
图5.1 角速度模块显示

超声波模块：敏捷度较高，采集速度较快。如下图5.2

图5.2 超声波模块显示
报警模块：功能实现。两个红灯闪烁，模仿后车灯。
模式一，车距障碍物≥4m，LCD显示“Slow down on standby!”，角速度超过300时，常开继电器闭合使直流电机启动（模仿减速），灯闪烁，蜂鸣器警报；如下图5.3
图5.3 警报

模式二，车距障碍物≤4m，LCD显示“Stop on standby!”，角速度超过300时，常闭继电器断开（模仿及时停车），灯闪烁，蜂鸣器警报；如下图5.4
图5.4 液晶警示

参 考 文 献
[1]邱亚楠.汽车油门防误踩自动刹车系统研究。检测技术与自动化装置[D].,6;9-10.
[2]赵文博.惯用集成电路速查手册[M].机械工业出版社.,3;1195-1196.
[3]陈松,张娜.基于AT89S52单片机误踩油门控制器设计[J].西昌学院学报..
[4]阮观强.新型电子智能式油门防误踩系统装置研制与开发[J].应用科技..

附录
元器件列表：
Comment
Description
Designator
Footprint
LibRef
VALUE

DIP40
AT90S2313

C

C1，C2
0805
C
30pf
CAP-POL

C3
0805C+
CAP-POL
10uf
Dilo

D1，D2
1n4007
Dilo

LED

DS1，DS2，DS5
LED0.1
LED

10K

J1
SIP9
COM9

Relay-SPDT
Single-Pole Dual-Throw Relay
K1，K2
Relay 5V/12V
Relay-SPDT

8550
PNP General Purpose Amplifier
N1，N2，N3
BCY-W3/E4
2N3906

角速度接口
Header，4-Pin，Right Angle
P1
HDR1X4H
Header 4H

超声波接口
Header，4-Pin，Right Angle
P2
HDR1X4H
Header 4H

Header 3H
Header，3-Pin，Right Angle
P3，P4
HDR1X3H
Header 3H

电源接口
Header，2-Pin
P5
HDR1X2
Header 2

Res2
Resistor
R1，R2，R3，R10，R11
0805
Res2
1K
RES

R4，R5，R6，R7，R8，R9
0805
RES
1k
SW-PB
Switch
S1
E-BIP-P4/D10
SW-PB

LCD1602

U1
SIP16
LCD1602

BEEP

U5
RB5-10.5
BEEP

CRYSTAL

X1
RAD0.2
CRYSTAL
12M

PCB图及实物图