盛 彬 王舒玮

（山西大同大学 机电工程学院，大同 037003）

汽车一度被誉为“改变世界的机器”。在近几十年里，汽车工业得到飞速发展。它不仅推动了世界经济的发展和科技的进步，而且逐渐成为人类工业文明的标志。但是，调查研究发现，当今社会车流量不断增大，给道路交通系统带来了一系列恶劣后果。第一，交通堵塞。目前山西省各大城市城市拥堵严重，已经成为急需解决的城市问题之一。第二，环境污染。汽车尾气已成为自然环境的主要污染源。酸雨、温室效应和雾霾等现象严重危害人类健康。第三，交通事故。交通事故严重危害人类的生命，已成为世界第五大死因。面对严峻的道路安全需求，仅通过增加交通道路的通行面积或者仅从车辆方面考虑，都不能解决日益严重的道路交通问题。为了有效提醒司机，规范司机的驾驶行为，汽车生产制造商研制了车辆安全驾驶预警系统，通过单片机控制系统的运行。该系统功能完善，可以有效提醒司机注意控制车速，避免车距过近，以预防道路安全事故的发生，确保司机和乘客的出行安全。

1 车辆安全驾驶预警系统的设计背景

我国的交通情况错综复杂，且在该领域的研究起步较晚。近些年，我国的汽车保有量急速增加。作为世界第二大汽车消费国，我国的交通拥堵、环境污染和频发的交通事故等成为必须解决的问题。研究发现，经济的发展促使人们出行方式朝向多样化发展，也导致安全事故多发、频发。据统计，我国每年都有50万起交通事故，是世界上交通事故发生率较高的国家，且因交通事故导致人员伤亡的事件也较多。分析交通事故原因发现，事故多由司机驾驶疏忽遇到紧急事件反应不及时、车辆在行使过程中速度较快出现追尾撞击、司机在行使过程中接打电话或聊天没有注意路面状况等引起，导致车辆与各种障碍物发生撞击[1]。如果司机可以提前意识到危险的存在，及时采取紧急制动措施，就可以有效避免交通事故的发生。为了降低交通事故发生率，保证司机的行驶安全，汽车制造商在车内设置安全气囊和安全带来保护司机、乘客。但是，这种方法属于被动预防，无法有效降低交通安全事故发生率，在一些严重突发事件下会失去效力。因此，本文设计研制了一种可以有效提醒司机车辆安全驾驶预警系统，通过事前预测、预防和智能控制，减少交通事故的发生[2]。

2 系统总体结构和工作原理

车辆安全驾驶预警系统主要包括全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）模块、单片机控制模块、声光报警模块、震动传感器模块、遥控模块、无线发射和接收模块等。通信能力受限和系统是非线性动态模型问题，是设计时保障系统控制性能的关键。另外，单片机作为核心控制模块，基本运行必须包含电源电路、时钟电路、复位电路和芯片，然后根据实际需求加上其他控制模块，以处理声光报警和传感器内的实时信息数据。当系统报警模块启动后，传感器检测模块会启动，检测部分信息包括位置、速度、车间距等，通过传感器获取的其余车辆的信息是否可用和执行器工作是否正常等信息，判断车队系统能否稳定运行。系统一旦感受到外界危险信息，就会促使模块改变原来的状态，此时单片机在接收到信号后会自动处理，最终通过声光报警器发生信号驱动其报警[3]。同时单片机会发出信号，实现和GSM的通信，最终向司机发出短信。司机手机的通信模块和GSM模块主要通过通信接口连接，可以有效实现数据的传输。

3 车辆安全驾驶预警系统方案设计

本次设计以基本理论、技术和现有的研究成果为基础，采用理论研究、计算机仿真和实物实验相结合的方法，既要通过理论分析和仿真研究取得较高的理论成果，又要在实物模型上对成果进行验证。该系统的核心控制芯片是单片机，可以通过激光测距传感器检测汽车周围、前方和障碍物之间的距离。信息采集后通过模数转换模块将模拟信号转换成数字信号传送给单片机进行处理、反应，以提醒司机注意情况。该系统既可以测量车距，也可以感应车速。如果速度达到限速标准，系统会提醒司机及时减速[4]。此外，该系统可以将车速信息和车距信息数据传输到液晶显示屏上，便于司机随时观察、了解，及时做出各种反应。同时，在该系统上还安装有温度传感器，可以通过显示器显示车内温度，超阈值后会通过单片机驱动报警装置及时响应，系统架构如图1所示。

图1 车辆安全驾驶预警系统架构

4 车辆安全驾驶预警系统整体设计

车辆安全驾驶预警系统针对系统通信受限、传感器/执行器故障及通信能量有限问题，提出利用模拟实际交通系统的沙盘与实验小车组成仿真平台，可对项目提出的算法进行验证和改进，解决数据延时、驱动通信机制不同引起的多事件驱动等问题。它是系统的重要组成部分，在我国应用范围广，数据信息保密性强，数据传输可靠、及时。应用在车辆安全驾驶预警系统设计中，可以有效满足汽车业务的发展需求。将单片机和GSM进行联合，可以设计一个优化程度高、控制效果好以及安全性能高的车辆协作控制系统，从而有效发挥汽车防盗报警功能。它的核心是手机通信模块，通过短信消息提醒司机。操作者一般可以通过打开手机中的程序和软件自动控制油路，实现远程开关车门、监测汽车的安全情况和运行状态等[5]。此外，该系统在运行时会自动监测车门状态和汽车点火开关系统的打开情况。如果被非法打开，防盗报警系统会通过手机通信模块向司机发送信息。司机接收到相关信息后，可以通过单片机驱动完成报警。通过以上远程控制，可以将手机通信模块和系统进行有效连接，确保手机信息数据被格式处理，及时传送到单片机控制系统，最终程序会根据手机信息自动判断。此时系统中的相应板块会自动反应，发挥其自动预警的功能[6]。

5 系统硬件设计

在进行车辆安全驾驶预警系统设计时，需要发挥提醒驾驶员危险距离的功能。因为激光测距传感器精度要求高，需要采用相位激光测距模块，以满足高精度、高效率测量需求。该模块采用的是国家规范信号，工作电压为5 V，内部设置有发射激光和反射激光两个镜头，可以精准测量车辆之间的距离。对于传感器而言，它可以测量车速。该传感器内部安装有磁铁，当磁铁经过传感器时可以输出一个高电平，可通过单片机检测车辆单位时间内输出电平的总数量精准计算车速，因此需要选择特定型号的传感器[7]。此外，温度传感器可以准确测量车内温度。如果温度高于限度，系统会自动发出警报信号。车辆安全驾驶预警系统和液晶显示器连接，通过液晶显示屏可以有效反馈速度、距离以及温度等信息。设计者可以根据车辆安全驾驶预警系统中模块的结构特点，将系统硬件电路和实物进行连接[8]。

实现过程中，关于报警器限流电阻的阻值R（直流电路中）和磁铁电磁吸力F的表达式为

式中：E为电源电压值；UF和IF分别为发光二极管正向压降和一般工作电流；S为磁极面积；Φ为磁通；u0为真空中的磁导率。

6 系统软件设计

该系统软件采用的是程序编译控制。程序是系统的核心控制环节，选用C语言程序，具备编写功能，结构简单，容易操作。设计者在编写程序时需要使用专门的编译软件，如Keil。编写后可以根据程序提示信息将警告信息传输到单片机芯片中。系统主要的程序设计流程如图2所示。

图2 系统程序设计流程

7 系统调试

通过该系统实时测量车辆运行期间的相关数据，发现其测速模块和测距模块可以稳定运行，有效实现了设计目标。设计人员可以直接在初步设计的基础上增加温度测量和实时报警模块，通过设置阈值，当车辆速度、车距以及温度等超出阈值后，系统内会自动发出警报，此时提示灯会亮起来[9]。调试发现，当车辆速度和距离没有超出阈值时，警报不会响应，指示灯不亮。当超出阈值时，警报会响起，指示灯亮起。此时，实际测量与预估数值之间存在一定误差，需在调试过程中不断改进，提高实际精度，实现实时控制的目的。

8 结语

该系统主要以单片机作为核心控制器，首先通过霍尔传感器和超声波传感器采集车辆运行信息数据，其次通过单片机处理、计算有效了解车辆和周围障碍物的危险距离，最后通过液晶显示屏有效反映车辆状况，便于司机做出反应。车辆安全驾驶预警系统具备一定的理论和技术创新，包含预警、提示功能，可以帮助司机及时进行速度调整，确保车辆的行使安全。