车辆安全保障系统的设计

课程名称：电子设计实践

实验题目：车辆安全保障系统的设计

课程简要信息

课程名称：电子设计实践

课程学时：36学时

适用专业：电子信息工程、通信工程

学生年级：大四学生

实验内容与任务（限500字）

实验内容：民防部门做过一个这样的统计，出车祸后伤势一样的重伤员，在半个小时内获救，其生存率为80%，在一个小时内得救，其生存率为40%，在一个半小时内得救，其生存率仅仅为10%以内，综上所述，及时得到救援可大大提高生存率。研究表明，若驾驶员可以提前1秒意识到危险并采取正确措施，可以避免90%的追尾撞车事故，所以防撞预警在很大程度上可以避免交通事故。车辆安全保障系统的防撞预警和紧急求救研究可以提高事故救援的响应速度和急救效率，明显减少交通事故以及事故后的人员伤亡。

基本任务：在道路交通中，车辆能够实时检测与前车的安全距离，遇到突发情况后，可以对驾驶人员发出语音提醒，以便驾驶人员做出及时的安全措施，确保车辆提前有效防止碰撞事故；此外，在发生交通事故后，能够及时进行紧急求救，争取抢救时间。

扩展任务：当紧急情况发生时，驾驶员有可能会因为情绪慌张、时间紧迫、受伤昏迷等原因无法主动的按下紧急呼救按钮，这时在车身上安装的警戒装置就起作用了，不需要人为的去控制，一旦超过警戒值，它就能自动的向预设对象发送求救信息。

实验过程及要求（限300字）

1. 理论知识准备：学习了解GSM、GPS相关技术，学习掌握各种传感器的工作原理，学习了解上位机的功能和实现方法。

2. 需求分析：查阅资料，充分了解系统的功能及要求，并建立资料文档。

3. 方案设计：将系统划分为若干个相对独立的单元电路，画出完整的系统框图。

4. 硬件电路设计：根据实现的功能及指标合理选择元器件种类及其相关参数；合理设计单元电路，各单元电路间要相互配合，注意各部分的输入、输出和控制信号的关系。熟练使用Altium Designer软件，并画出硬件电路原理图；

5. 软件程序设计：画出程序流程图，进行软件编程并调试。

6. 实物的制作与调试：完成实物的制作，并进行软硬件联调，排查故障，完成功能测试。

7. 撰写设计报告，并进行答辩。

相关知识及背景（限150字）

这是一个运用嵌入式技术和无线传输技术解决现实生活和工程实际问题的案例，需要运用传感器及检测技术、信号处理技术、无线传输技术，数据显示、参数设定、功能报警等相关知识与技术方法，并涉及需求分析、硬件电路设计、软件程序设计、无线数据传输等工程概念与方法。

教学目标与目的（限100字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生掌握电子系统软、硬件系统的开发和调试，加深学生对嵌入式技术、传感器技术、无线数据传输技术的理解与掌握；锻炼学生理论联系实际，解决复杂工程问题的能力；培养学生团队协作、沟通表达、自主学习的素质。

教学设计与引导

本次课程设计是一个完整的工程实践项目，以“能力为导向”，侧重学生解决“复杂工程问题”能力的培养，提升其工程文化素养，需要经历需求分析、方案设计、硬件电路设计、软件程序设计、综合调试、撰写设计报告等过程。在实践教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

（1） 实验前帮助学生进行产品功能分析，以教师讲解为主。

1. 讲解本次实验项目背景、实验目的、实验内容及要求。

2. 引导学生将工程问题抽象为技术问题，从数据采集、传输和监控环节入手，进行模块化设计。

3. 介绍常用文献资料检索工具的使用方法。

（2） 实验中教师在设计方案的可行性、器件的选择、软件编制等方面全程指导；根据学生的能力水平要因材施教给予不同的指导。本阶段以学生自行设计为主，教师指导为辅。

1. 学习无线传输技术，选择主控芯片；不同无线传输方式的有效范围、价格、传输速率都存在很大的差异，因此要根据具体的使用情况来选择无线传输方式；

2. 了解车辆制动的过程，建立预警安全距离模型；

3. 根据检测的数据来选择传感器的类型，从价格、精确度、适应性等多方面考虑传感器的型号，选择合适的传感器；由于实验要求检测参数的精度并不高，所以传感器的选择就有了一定的可选性，但同时要考虑车辆这个特殊的应用范围，从而挑选出合适的传感器；

4. 在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；

5. 串口通信协议：学习单片机串口通信的程序设计，以及实现将单片机与计算机进行有线式的串口数据交换。

6. 在系统设计出来之后，建立一个简易的汽车模型，进行详细的实验性验证，各部分单独运行观察是否工作正常，然后进行统调，观察整个系统是否运行正常；观察防撞预警和紧急求救是否正常工作；在调试中，要注意工作电源、工作环境对系统指标的影响，系统工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

（3） 实验后学生进行项目总结，教师验收学生作品。在实验完成后，要求学生撰写设计报告，组织学生以项目演讲、答辩的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

实验原理及方案

（1）实验原理

本系统针对防撞预警系统中的安全距离、车速、语音提醒以及紧急求救系统中的GPS定位、GSM发送短信等部分展开研究，在车辆运行过程中（遥控控制车辆启动），由测速模块测出车速，并根据车速运算出制动距离，再由超声波模块与前方障碍物的距离，与制动距离比较大小后，通过语音模块提醒减速慢行。在小车发生碰撞后，由GPS模块定位后，通过GSM模块将求救信息发送给预先设定好的接收对象，达到紧急求救的效果。系统结构如图1所示，本系统以STM32系列作为主控制器，引导学生学习新知识、新技术，实现方案不唯一，学生可以在此基础上自由发挥，采用多种思路实现系统功能即可。

图1 系统结构图

（2）实现方案

1）测速模块

本方案采用槽型对管测速模块一侧为红外发射，另一侧为红外接收，光栅码盘旋转时有两种状态：一种为光透过间隙，另一种为光被阻挡状态。当光栅码盘阻挡住红外对管后，OUT输出电压为高电平；光栅码盘旋转至红外对管可透过间隙时，OUT输出电压为低电平。通过此模块板载比较器，输出规则的TTL电平，用来测算出车速。当然也可以选用其他测速传感器，如对射光电传感器、反射光电传感器等。

2）测距模块

本方案采用的测距方法是超声波测距，超声波模块是通过发送和就接收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离。

其他测距模块有激光测距模块、雷达测距模块、红外测距模块等。

3）GPS定位模块

GPS定位模块通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差较大。本方案采用的ALIENTEK生产的ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块。

5）语音模块

本方案采用ISD1820录放模块,该模块只需要与STM32的VCC、GND.IO口相连。ISD1820录放模块有RES（录音）键、PALYE(单通播放)键、PALYL（点动播放）键。在录放模式下，按住REC录音按键不放即录音，RECLED灯会亮起，录音在松开按键时停止，录音完成后便可以将模块上PLAYL IO口与STM32开发板上的IO口连接，用STM32开发板进行控制，即可提醒驾驶员减速慢行。

6）电机驱动模块

本方案采用L298N直流电机驱动模块，可以使两个直流电机正常工作，该系统采用两块直流电机驱动模块，需要将ENA、ENB两个使能端直接与STM32的VCC相连，该模块才能正常工作。

7）GSM模块

本方案采用的ALIENTEK推出的ATK-SIM900A-V12，该模块是一款可以适应恶劣环境的GSM/GPRS模块。ATK-SIM900A模块上的双频GSM/GPRS模块：SIM900A，支持的工作频段为双频：900Mhz/1800Mhz，可以实现语音通话、接收和发送信息、网路数据的传输和传真信息。ATK-SIM900A模块支持串口通信，工作电压范围为5V~24V之间，与STM32开发板的连接非常方便，从而提供短信息发送的功能。

教学实施进程

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 设计题目、内容及要求

主要叙述设计题目要求、系统实现功能等。

2. 方案论证

主要是工程问题抽象建模，形成温室监控系统框图，然后论证各模块选型依据并给出具体型号。

3. 硬件电路设计

要求给出单元电路图及系统整体电路图。

4. 软件程序设计

要求给出软件流程图，并进行简要的说明。

5. 系统调试

写出硬件和软件调试步骤，简要说明调试过程中碰到的问题、错误及其排查、解决方法。

6. 实验总结

总结实验收获和改进方向。

7. 附录：程序清单

8. 参考文献

考核要求与方法（限300字）

1. 考核内容及所占比例

2）总评成绩折合

优：90-100分； 良：80-90分；中：70-80分；及格：60-70分；不及格：60分以下 。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

本项目基于成果导向教育模式（OBE）的理念，结合工程实践项目设计而成。通过对项目需求抽象建模、方案论证、硬件电路设计、软件程序设计、系统测试等环节，培养学生综合运用所学科学理论和技术手段，分析并解决“复杂工程问题”的基本能力。

实验案例信息表