中心議題：

• 紅外線測距基本原理及其系統的建立
• 紅外線測距在汽車防撞系統的應用
• 汽車紅外防撞系統性能評價

1　引言

隨著經濟的發展，交通運輸業日益繁榮，但由于道路狀態、交通管理等硬件難以跟上，加上駕駛超車、出車開小差、錯誤估計車距等主觀的原理，使相互碰撞的交通事故頻頻發生。解決這個問題的根本措施在于給行進中的汽車安裝能自動跟蹤測距，在危險距離內自動剎車的裝置。

由于電子技術的發展，先后出現了激光測距、微波雷達測距、超聲波測距及紅外線測距。其中激光測距是靠激光束照射在前車上的反射鏡（汽車尾部）反射回來的激光束探測兩車距離。由于受惡劣的天氣、汽車激烈的振動，反射鏡表面磨損，污染等因素影響，使反射的激光束在一定功率上探測距離比可能探測的最大距離減少1/2～1/3，損失很大，影響探測的精確度；微波雷達測距技術為軍事和某些工業開發采用的裝備和振蕩器等電路部分價格昂貴，現在幾乎還沒有開拓民用市場；超聲波測距在國內外已有人做過研究，由于采用特殊專用元件使其價格高，難以推廣；紅外線作為一種特殊的光波，具有光波的基本物理傳輸特性—反射、折射、散射等，且由于其技術難度相對不太大，構成的　測距系統成本低廉，性能優良，便于民用推廣。

當前測距系統所用的測距基本原理都是建立在測量時間差的基礎上，而測量時間的方法主要有“脈沖方式”和“調頻2連續波方式”。這兩種測量方式都是以模擬電路來實現，由于器件延時的影響，使測量精度大大下降。本文采用“計數”方式，通過單片機處理，使測量準確度有了很大提高。

因此，本文研究的紅外測距系統成本較低，機體尺寸小，而且利用一種新的測距原理結合單片機技術的處理，使測量精度有了較大提高；同時把這種測距系統應用于汽車防撞系統中，并進行了裝車防撞試驗。試驗結果表面，這種系統能探測的距離大于40m，且分析判斷險情的速度快，準確性較高。

2　紅外線測距基本原理及其系統的建立

2.1　基本原理
紅外線發射器不斷發射出頻率為40kHz的紅外線，經障礙物反射，紅外線接收器接收到反射波信號，并將其轉變為電信號。測出發射波與接收到反射波的時間差t，即可求出距離s：

式中，c為光速度，一般取3×108m/s。

本文采用“計數”方式，通過單片機處理進行測量，其基本原理是：紅外線發射器始終處于發射紅外線的狀態，當紅外接收器第一次接收到障礙物反射回的紅外線時，經電路處理單片機給出一個計數啟動信號，單片機的計數器開始以一定頻率計數；當紅外線接收器第二次接收到反射回的紅外線時，經電路處理單片機給出一個停止計數脈沖，計數器停止計數。通過編程，單片機自動處理，用脈沖的周期T乘以脈沖數n就得到發射紅外線到接收紅外線的時間差t，即：

（2）式代入（1）式就得測量距離。

2.2　系統的建立
根據以上的測距原理，設計出系統的基本框圖如圖1。

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紅外發射電路發射出40kHz頻率的紅外線，當遇到障礙物紅外線發生漫反射，紅外線接收電路第一次接收到反射的紅外線時，給單片機一個信號脈沖，啟動單片機內的計數器，計數器置位進入計數狀態；當接收電路第二次接收到反射器的紅外線時，經單片機處理給出一個信號脈沖，使計數器停止計數，數據被鎖存，然后經單片機處理，將測量的距離顯示在顯示器上。

3　紅外線測距在汽車防撞系統的應用

3.1　基本特點
本文研究的汽車紅外防撞系統吸收了國內外各種測距儀的部分特點，結合我國汽車電子工業發展方向和現有電子技術基礎上而設計出來的，具有以下特點：

1）汽車在行進中能自動連續跟蹤顯示障礙物的距離；
2）在交通量較大的高速公路的車間距離一般為30～50m，本裝置設置極限安全距離為30m，當探測的車間距為30m時，發出警告聲提醒駕駛員注意剎車；
3）探測的車間距為20m時，給出自動剎車信號；若裝有自動剎車裝置，則自動剎車減速。

3.2　汽車紅外防撞系統
汽車紅外防撞系統的電路原理框圖如圖2所示。

本系統由發射部分、接收部分、單片機、譯碼顯示電路、報警部分及自動剎車減速裝置六部分組成。

發射部分：由40kHz振蕩器，恒流發射發路和發射探頭等組成，振蕩器產生占空比非常小的窄脈沖，采用恒流源提供20mA左右的電流，這樣減小了功耗，提高了發射功率，最后紅外線由發射探頭聚焦，以散射角小于2°發射。

接收部分：由紅外線接收頭、第1級放大電路、第2級放大電路、整形、AGC控制增益等電路組成，紅外線接收頭接收信號后經第1級與第2級放大電路放大，由施密特觸發器電路整形，送入單片機處理。其中AGC控制接收電路的增益，保證恒幅輸出。

單片機：由時鐘振蕩器和單片機組成，經過編程，單片機實現自動計數、計算時間t和測量距離s，并將測量距離連續輸出給顯示裝置，同時在車間距離為30m時產生報警信號和車間距為20m時，產生自動剎車減速信號。

譯碼顯示電路：由譯碼電路、顯示器組成，單片機輸出的距離信號經譯碼器譯碼，通過顯示器顯示出來。可動態顯示車與障礙物的距離。

報警部分：由觸發器、驅動電路和小喇叭組成。當車間距為30m時單片機給觸發器一個信號，使觸發器置位產生一組脈沖，通過驅動電路，使小喇叭發出報警聲，當大于30m時，觸發器復位，停止產生脈沖。

自動剎車減速裝置：由開關K和自動剎車減速裝置組成，當司機認為必要用到自動剎車減速裝置時，閉合開關K。當車間距小于20m時，單片機提供一個信號，啟動自動剎車減速裝置，防止碰撞。
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4　汽車紅外防撞系統性能評價

為了評價汽車紅外防撞系統的性能，包括探測障礙物距和相對速度的性能，采用靜物距離探測和在高速公路上行駛時動態探測兩種試驗。

4.1　靜物距離探測試驗
將普通汽車放在裝有紅外防撞系統的試驗汽車前面，試驗車從100m遠處以30km/h的速度向普通汽車開來。當距離大于40m時，顯示0;距離小于40m時，顯示器顯示的數據連續變化；當車間距為30m時，報警器開始報警。實驗結果表明，符合實際車間距離，探測結果準確。實驗結果如圖3所示。

4.2　高速公路上行駛動態實驗
試驗車與普通車在高速公路上同時向同一個方向行駛，開車前兩車保持100m的距離。試驗車向普通汽車發射紅外線，探測兩車距和相對速度，其實驗結果如圖4所示。
 
5　結語

本文采用一種新的測距原理建立了紅外測距系統，并研究了紅外測距系統在汽車防撞系統的運用。

為使測量的時間差t準確，采取兩種方法提高精確度：
1）計數脈沖的周期T應取得非常小。達微秒數量級；
2）計數N個接收到的紅外線周期的計數脈沖，利用公式t=nT/N計算時間差t，則精確度提高到大約原來的N倍。

當然，為了使汽車紅外防撞系統實用化還需解決如下幾個問題：
1）怎樣防止旁道上行駛時，因道路兩旁物體，臨車道上的車輛產生錯覺問題；
2）單片機的防振能力差，影響工作可靠性的問題；
3）發出什么樣的報警信號才能使司機不造成緊張不安的情緒；
4）如何進一步提高單片機計數工作頻率，減少誤差；
5）探測距離受惡劣天氣影響，紅外線損失較大；
6）動態探測距離有待進一步提高。

這些問題有待進一步研究、探討。相信隨著器件的改進和實驗條件的改善，這些問題會得到圓滿解決。