论文总字数：20520字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2车载防碰撞系统的发展现状 2

2 系统方案设计 3

2.1 系统设计任务与要求 3

2.2 超声波测距原理 4

2.3 霍尔传感器测速原理 5

3 系统硬件设计 6

3.1 单片机的选择 6

3.2 MSP430F149单片机特性 6

3.3 MSP430F149主控模块设计 7

3.3.1 单片机最小系统 7

3.3.2 电源电路 7

3.3.3 晶振电路 8

3.3.4 复位电路 8

3.3.5 JTAG接口 9

3.4 测距收发电路设计 9

3.4.1 测距模块选择 9

3.4.2 收发电路设计 11

3.5 测速电路设计 11

3.5.1 测速模块选择 11

3.5.2 电机驱动选择 12

3.5.3 测速电路设计 13

3.6 显示报警电路设计 13

4 系统软件设计 14

4.1 软件设计环境 14

4.2 主程序设计 14

4.3 测速测距程序设计 15

5 系统焊接与调试 16

5.1 软件调试 16

5.2 硬件调试 16

5.3误差分析 19

5.3.1测距误差分析 19

5.3.2测速误差分析 19

5.4 结论与展望 20

参考文献 21

致谢 22

电动汽车防追尾系统的设计

张仁春

, China

Abstract: In this paper, the principle of ultrasonic ranging and hall sensor in the rotating speed are analyzed. With the purpose of low cost, high precision and strong practicability, a electric vehicle rear-end collision system is designed. The MSP430F149 MCU is taken as the control core. The distance is detected using ultrasonic probe and data collection of vehicle wheel speed is carried out by using hall sensor. The measured distance and speed in real time are displayed by SMC1602A LCD. By comparing the relationship between the measurements and the safety parameters of the system, the different response measures are taken to realize the function of anti-collision in electric vehicle driving. Each part of the circuit and system is debugged in the course of the study. The system test results show that the system has the advantages of simple hardware structure, stable performance and so on. In a limited range, the anti-rear-end collision warning function is achieved, but also the design requirements of the system are satisfied. At last, the system error is analyzed and the improvement measures are put forward.

Keywords: Ultrasonic ranging; hall sensors; MSP430F149; electric vehicles; collision avoidance system

1 绪论

1.1 研究背景与意义

根据调查显示，2014年我国的机动车数量已经达到2.64亿，每年的事故发生率也在上升，带来的财产损失也达到了数千亿。面对如此严峻的交通事故现状，预防交通事故发生显得尤为重要，利用高新技术产品，从而尽量减少事故发生和减轻人员受害程度，可有效遏制交通事故的发生。

随着全球经济的快速发展，便利的交通给人们的生活带来了极大的改善。然而，在我们获得便利的同时，汽车行车过程中的各种交通事故也越发严重，由此引起的人员伤亡和财产损失更让我们触目惊心，而追尾碰撞事故是在整个交通事故中占了很大的比例。尽管当前许多轿车配备了雷达预警装置，但是在中大型大城市，随着汽车数量的逐年增加，交通事故的发生率逐年攀升，在行车过程中，由于跟车速度、天气等复杂环境影响，再加上一些客观原因如视野死角、视线不清晰、汽车速度快、刹车不及时，与前车没有保持适当的安全距离，导致交通追尾碰撞事故频发，人们越来越希望改善汽车在行驶时遇到的各种窘境，希望设计出一种智能装置在发生碰撞可能性较大时能能够提前预警并且装置本身能够做出一些响应措施，并在驾驶员反应时间不够时能够实现制动。

为了避免碰撞的发生，减少交通事故给人们带来的巨大损失，各大品牌的汽车公司投入了大量的人力和物力研究汽车主动避撞技术。现在的防追尾碰撞系统的设计大都在倒车防撞雷达的基础上发展而来的，其从第一批生产到现在已经有数十年的历史，给人们的生命和财产提供了安全的保障。根据戴姆勒-克莱斯勒公司的一份研究报告中可知，倘若司机有0.5秒的提示报警时间，人们就可以避免发生60%的追尾事故，而提前1秒就可以避免90%的追尾碰撞事故，这份报告表明通过提前预警可避免一定比例的追尾事故发生。随着科学技术的发展，研究人员在该系统中添加了防追尾等许多功能，它在人们的行车过程中变得不可或缺，因此，在未来的研究中，我们对汽车防碰撞系统的研究也就显得十分必要。

目前汽车防碰撞系统中采用无接触式测距技术^[1]，毫米波雷达测距工作频率高，性能稳定，环境适应性好，但价格较贵；激光测距具有量程大、精度高的特点，目前汽车所用的激光测距分为成像非成像式激光测距系统；超声波测距比较迅速、可靠性高、易集成、结构简单易于实现、成本低、对外界光线等敏感度较低^[2]，在灰尘、烟雾等恶劣环境下使用时更有优势，在测距精度方面能达到海洋探测、超声波探伤、国防和汽车倒车控制系统等领域的要求。

面对广阔的市场空间以及人们对车载防碰撞系统提出的日益苛刻的测量要求，许多国内外汽车公司都在防碰撞研技术方面投入了大量的人力物力，希望研究出新技术防止汽车追尾、刮伤等碰撞事故的发生。车载防追尾系统在车辆有可能发生追尾的情况下，能够发出警报信号，提醒司机做出一些安全措施，这类在倒车雷达基础上发展而来的系统对于减少交通事故有着极大的现实意义，能够尽量避免一些交通事故的发生。本设计结合超声波测距和霍尔传感器测速的要求，分析影响超声测距和霍尔传感器测速精度变差的多种因素，对电动汽车防追尾碰撞系统进行软硬件设计，并在论文最后进行了系统实验误差和分析。

1.2车载防碰撞系统的发展现状

目前许多主动防撞系统都是由倒车雷达发展而来。根据接收信号方式的不同，将倒车防碰撞系统分为无线和有线两种，这两种雷达原理基本相同。相对于有线传输来说，无线传输类雷达的特点是在具有相同功能的条件下，避免了对汽车内部结构进行改动而损坏内部装饰，在一定程度上，这是一类在服务、意识上的创新产品。倒车雷达经过多年发展，倒车喇叭提醒、轰鸣器提示、无线液晶等六代产品在功能上都有自己独特之处。

据权威机构对2013年倒车雷达需求量的统计，全球总需求为3880万套；2013年全年我国倒车雷达总产量为1358万套。我国倒车雷达行业随着科学技术的发展也得到了快速的发展，随着各公司的大力投入，目前国内这一行业的相关企业有200多家。目前国内被大量使用的倒车雷达品牌有铁将军、PLC等，而国外比较知名的主要有VALEO，Bosch等。国内与国际整个倒车雷达行业在技术水平仍然存在较大差距，普及率较高但存在价格混乱、性能一般、存在盲区较大等问题。随着全球汽车产销量的增加，导致倒车雷达的价格受到了影响呈下降趋势，再加上前装装配率提升、家庭购买力的提高等因素，市场需求量越来越大，加快了全球倒车雷达这一行业的快速发展。

为了防止人们在行车过程中汽车发生碰撞，北京泰远研究的“声光电机”一体的泰远自动防撞器作为一款主动智能汽车防碰撞系统，其增加了汽车安全性能。作为一款汽车主动防撞产品，该装置的优势在于能在时速120公里以上实现自动刹车。该系统通过雷达发现前方障碍物并经过处理器分析以确定是否存在安全问题，当分析出存在危险时系统会发出警报，并及时作出反应进行制动。

随着对汽车安全性要求的提升，越来越多能够为驾驶者提供辅助的主动碰撞预防系统出现在如今各类汽车上，主动碰撞预防系统品牌有许多。奔驰的Pre-Safe是一个很完善的系统，通过监测出刹车力度，横向加速度以及转向角度等重要的数据来设计出一个预防前车碰撞的功能，当系统检测到驾驶员正在进行避险操作时会自动先收紧安全带并且调节座椅来保证驾驶员受到的的损伤最小，这时候系统还会自动关闭车窗来降低危害指数。随着Pre-Safe的不断完善，在系统中增加了主动预防前车碰撞以及刹车辅助功能。本田的CMBS系统采用毫米波雷达通过探测前方的行进情况进行探测，若系统判断有可能发生碰撞事故时，CMBS系统自动发出警报，继续靠近前车或者障碍物时系统轻轻制动提示驾驶员注意行车安全。当系统检测到即将追尾时，CMBS就会采取紧急制动辅助驾驶员减小前进车速，显著地降低和避免了两车碰撞时对车上人员的伤害。丰田的PCS系统最先使用的对象是它的高端产品雷克萨斯，此系统在夜间和恶劣环境中能力很强，原因是该系统同时具有毫米波和红外线两个辅助系统。福特公司的预警系统“V2V”能够在相互靠近的两车之间互相发送速度、行驶方向等基本信息，当两车距离处于危险情况时系统自动发出警报，从而可有效防止追尾碰撞等事故的发生，有效缓解交通拥堵。相对其它系统来说，沃尔沃City Safety系统主动防碰撞预警功能较强，该系统通过激光束的运作来搜集路况信息并通过显示将信息提供给驾驶员。沃尔沃在市场上的安全性口碑是大家公认的，基本上其所有车型都配备了这个系统。其实除了沃尔沃，奔驰这些车型，奥迪、福特等各大汽车公司也都有自己的安全系统。我们都希望在支持国产产品的同时能享受到更好更安全的服务，这会比外观更具有现实意义。

随着汽车保有量的不断提升，类似于ABS、ESP等这样的系统将会成为各大品牌的新车标配。美国交通运输部宣布2018年将执行新的五星级评价制度，新车想要获得五星评价的必要条件是标配AEB系统。据了解，AEB^[3]是由车辆碰撞迫近制动系统（CIB）和动态制动支持系统（DBS）两个子系统组成的一种自动紧急刹车系统，其中CIB系统在车辆即将追尾时但是驾驶员没有采取任何避险措施进行紧急制动，DBS主要在驾驶员没有施加有效的制动时给予辅助防止不必要的碰撞。国外的AEB技术已经得到了一定高度快速的发展，然而国内仅在一定范围内得到发展，但也会逐步提高AEB系统的装配率。

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