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汽车制动距离测试器的设计构想 |
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作者：天津军事交通学院 方圣林 |
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摘要：本文通过对汽车制动停车过程的分析，利用微波雷达测距原理设计了一个运用多普勒雷达传感器对相对运动的地面进行扫描所获得的频移（与车速成正比）信号及时由单片机对其数据进行处理后控制点阵液晶显示屏显示汽车制动停车距离的自动测量显示仪器，并对设计的成本及其市场需求进行了简要分析。
关键词：制动距离、雷达、设计
1．汽车制动停车过程的分析
交通事故具有突发性，令驾驶员措手不及。下面我们分析一下制动停车的全过程。如图分析：
T1=T1′+T1′′为驾驶员的反应时间，一般为0.6s~1.0s
T2=T2′+T2′′制动器的作用时间和迟滞时间---统称为迟滞时间，一般为0.2~0.9s
T3为制动有效时间，在此时间内汽车的减速度基本不变(ABS成波浪‘直线’趋势)，即最大制动强度进行制动直到停车所需时间。制动停车过程大体可分两个过程：1。从发出制动信号开始到驾驶员做出制动动作（用脚接触制动踏板）为第一个过程；2.从驾驶员做出制动动作（用脚接触制动踏板）到车辆停车为第二个过程。
2.制动停车距离测试器的设计
2.1系统组成及工作原理
本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转化、处理、各种信息的显示等；
软件主要完成信号的处理及控制功能等。其工作原理是测速传感器采用多普勒测速雷达。当汽车行驶时，多普勒雷达天线以一定频率不断向地面发射电磁波，同时又接收反射回来的电磁波，测量汽车雷达发射与接收的差值，便可以实时准确的计算出汽车车速、位移。当测试员发出检测信号时系统开始计时工作。ATmega16 AVR单片机查询多普勒雷达传感器的输出信号，并对各个时间段的数据进行处理；然后对输入信号进行相应处理后通过显示模块LCM12232F输出。输出的信号参数有：驾驶员的反应时间、反应距离、制动时间、制动距离、电磁干扰强度等。由此来检验驾驶员及汽车的制动性能。同时还可输出各种提示报警信号。系统硬件结构如图所示。
2. 2硬件构成
该系统硬件主要包括以下几个模块： ATmega16 AVR单片机主控模块、电源模块、传感器检测模块、ADC模/数转换模块（使用单片机片内AD）、LCM12232F显示模块等。其中ATmega16 AVR主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，电源模块对整个仪器系统进行供电，传感器完成信号的采样功能，ADC完成将模拟信号转换成数字信号的功能，LCM12232F显示模块完成字符、数字的显示功能。
2.2.1主控模块
ATmega16 的引脚
系统采用ATMEL公司生产的8位AVR单片机ATmega16，它是带16K字节FLASH的在线可编程的微控制器。
2.2.2 多普勒微波测距雷达传感器
综合需要我们选取4803型多普勒微波测距雷达传感器，其主要参数如下：
DC8V电源接入端口
微波腔体振荡器频率为10.525G
30mw频率发生器 接收器(尺寸40x60x62)
雷达天线接收盒（外观85x69x21mm）
TTL数据输出接口（附带数据延长线）
2.2.3 点阵液晶显示模块
在此我们采用LCM12232F，LCM12232F是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器。如下图：
它主要由行驱动器/ 列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以显示7.5×2个(16×16点阵)汉字.与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。
2.2.4电磁检测传感器
选用KEY/Z 20S磁阻传感器
开路灵敏度4.7(mV/V)/(kA/m)
输出迟滞电压<50µV/V电源电压12VDC
工作温度-40~150°C
量程：电场0.1V/m~1500V/m， 磁场 1nT~10mT；
频率范围：10 MHz—4.5 GHz、探头的频率响应精度：+/- 2.5 dB (0.5 MHz–3GHz), -3 dB @ 0.2MHz.
测量模式：平均值（Average）, 脉冲值（Pulse）和峰值（Peak）
2.2.5 A/D转化模块
由于本系统需处理电磁强度检测传感器模拟信号，故采用A/D转换模块，它采用逐次逼近的方法完成A/D转换；我们采用ATmega16单片机自带的10位的逐次逼近型ADC。本系统的软件采用C语言编写，在集成开发环境下进行编译连接。
3.程序设计
主程序主要完成硬件初始化、子模块程序的调用，并对键盘的状态进行查询等功能，主程序流程图如上 图所示。
3.1 数据采集子程序设计
数据采集与A/D转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号和数字信号进行采样、量化及处理，并将相应信号的数值返回主程序。
3.2 显示子程序设计
显示子程序完成符号、数值的显示输出功能，相应的监控软件全部采用C语言编写。软件设计采用模块化的设计方法。
ATmega16 AVR单片机通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O设备访问形式控制该液晶显示模块。
连接总线图
3.3中断模块设计
中断模块包括触发中断和串行中断。触发中断完成对单片机工作状态的原始触发，并实现对环境无线干扰情况的实时监测；同时单片机将测量的电磁干扰强度值与设定值相比较，超限报警。串行中断用于完成系统的显示，包括实时测量数据的显示和最终测试结果的显示。并设定中断子程序中的中断源：触发开关，键盘、电磁强度（电磁强度超限）。分别完成启动、面板功能设置、测距功能及报警功能。
3.4 键盘设定模块
操纵面板上SET键为设定键，根据按SET键的次数可设定不同的参数值：按1次表示设定电磁干扰强度报警值；按2次表示进入工作状态；按3次选定显示模式；按OFF表示关机。按SAVE表示存储结果。并写入EEPROM中。
3.5报警子程序设计
主要实现异常情况下控制报警信号输出。电压过低或电磁强度超限时音频报警装置会发出不同频率的报警信号，同时相应的指示灯发亮以引起测试员的注意。
3.6整体组合及外观设计
如系统组装图示：将多普勒雷达传感器装在汽车的底盘前后适当位置，车前装一频率发生器，发射等幅振荡频率为 f1 = 几十千 MHz ，并以一定的倾角向地面发射。车后装一频率接收器，当汽车行驶时，雷达天线在单位时间内接收到地面反射波频率为f2 。多普勒频率：FD =f1－f2 = (2V／λ)cosθ（θ为天线相对地面的发射倾角,λ为波长） 可见：FD 与车身速度 V 成正比。据此车身速度信息通过数据导线将其连上驾驶室内的主控盒（CPU）。其中机盒上有四个接口：1 接制动器脚踏板触发开关（采用白金触点开关）；2 接无线干扰检测传感器；3 接信号及报警喇叭；4 电源接口。
其工作流程描述如下：先将各组件安装就位，并按下面板上的power键，当车速达到要求数值时，检测员连续按两次SET键，此时仪器开始计时工作，同时置于驾驶室内的喇叭发出提示音，驾驶员迅速踏下制动踏板（此即驾驶员的反应时间）；当踏下制动踏板时制动踏板上的触点开关闭合，向CPU发出触发信号，开始进入制动总距离的累加价段；直至汽车完全停止，雷达传感器检测车速为零时，CPU默认检测过程结束，显示相关数据，并提示检测员是否存取数据。整个测试过程只需两人，安装简易，仪器体积小，携带方便。
4.成本预算及市场分析
本系统选用ATmega16单片机约20-50元，12232FLCM约100元，电磁强度检测传感器约40元；多普列雷达传感器约200元；电源模块电路约8元（采用DCMD24S5电源控制模块，可以接车内24V电源或4节5号电池）；剩下的就是一些外围电路元件了，这个控制比如复位电路，单片机晶振，参考电压源等，加起来不到10元，报警的执行部分，也不到3元块钱。再加上部分数据导线开关及包装盒等约50元。如果大批量的采购的话一套系统总计约400元。由于其灵巧轻便，易用，价格较低精度完全能满足一般性的检测需要。适用范围广。
5.测试装置的误差分析
本系统因是采用多普勒雷达测距传感器，运用单片机对数据进行运算处理。故装置本身产生的误差主要有两块 一是系统的响应时间；二是来自不良天气和无线电干扰。它的整体测量精度可达1mm，整体误差 5cm,在允许的误差范围内。如果电磁干扰强度超过1000v/m,则其误差将抗大。故加装无线电磁干扰报警模块。再者，其对尘埃和泥水不很敏感，故测试时尽量选择沙砾、沥青或水泥路面。
6.结束语
随着电子技术的广泛应用，检测设备的自动、智能化必将是一种发展趋势，本文中提出利用AVR单片机和新型多普勒雷达传感器对制动停车器的设计，系统运行可靠性高、使用方便，操纵便捷，自动化程度高。尤其适合野外汽车检测的需要。
作者单位：天津军事交通学院
Email：xiaozhu800@sohu.com (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(7/19/2005) |
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