汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汪曉紅

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)需要對(duì)駕駛員盲區(qū)內(nèi)的障礙物進(jìn)行探測(cè)，為駕駛員提供倒車警告和輔助泊車功能[1]。本設(shè)計(jì)的原理是利用超聲波探測(cè)倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并根據(jù)盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向及時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)和語(yǔ)音提示。

1 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

1.1 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)硬件由STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、GM3101超聲波測(cè)距電路、ISD1730語(yǔ)音報(bào)警電路、DS18B20測(cè)溫電路及顯示電路組成，如圖1所示。

1.2 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的工作原理

超聲波測(cè)距電路控制安裝在車輛尾部三個(gè)方位（左右兩側(cè)各1個(gè)，后側(cè)2個(gè)）共四路超聲波探頭發(fā)射和接收頻率為40 kHz的超聲波[2]，根據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間差Δt計(jì)算不同方位障礙物的距離d=s×Δt（s為聲速），并根據(jù)不同方位障礙物的距離確定危險(xiǎn)等級(jí)（安全、警告、危險(xiǎn)、停車），將不同方位障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)、最近障礙物的方位、最近障礙物的距離等信息數(shù)據(jù)包發(fā)送給STC12C5A60S2單片機(jī)。

為避免倒車過(guò)程中車輛周邊運(yùn)動(dòng)物體影響報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性，STC12C5A60S2單片機(jī)對(duì)連續(xù)五次所接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以最終確定不同方位障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)和最近障礙物的方位。對(duì)于衡量系統(tǒng)測(cè)量精度和測(cè)量誤差的關(guān)鍵參數(shù)--最近障礙物的距離，單片機(jī)通過(guò)中值濾波算法以減小測(cè)量誤差，通過(guò)溫度補(bǔ)償算法實(shí)時(shí)修正環(huán)境溫度變化所造成的聲速變化對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響以提高測(cè)量精度。最后，單片機(jī)控制顯示器顯示最近障礙物的方位和最近障礙物的距離，控制語(yǔ)音處理電路播放對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)等級(jí)的語(yǔ)音提示。

2 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距電路設(shè)計(jì)

GM3101是專用于倒車?yán)走_(dá)的超聲波測(cè)距芯片，可驅(qū)動(dòng)四路超聲波探頭進(jìn)行測(cè)距，并將檢測(cè)到的各探頭到障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)、最近障礙物的方位及最近障礙物距離等信息以雙線差分串行方式輸出[3]。其最大測(cè)距范圍是0~3.15 m，測(cè)量精度0.05 m，工作周期80 ms，輸出信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)異步傳輸格式（波特率4 800 bps、電平5 V）。

圖2 所示為超聲波探頭驅(qū)動(dòng)電路，四路超聲波探頭在GM3101的驅(qū)動(dòng)下巡回發(fā)射超聲波并將獲取到的對(duì)應(yīng)方位障礙物的反射波回送給測(cè)距芯片GM3101。由圖3所示的超聲波測(cè)距電路完成最近障礙物距離計(jì)算、最近障礙物確定和方位危險(xiǎn)等級(jí)判斷。圖中DOUT+、DOUT-為GM3101的差分串行輸出端，MODE為GM3101的工作模式選擇端，與STC12C5A60S2單片機(jī)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和模式控制，F(xiàn)9COM、COUT為測(cè)試端，用于GM3101的性能測(cè)試。

圖2 超聲波探頭驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic probe driving circuit

圖3 超聲波測(cè)距電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic distance measurement circuit

2.2 其他外圍電路設(shè)計(jì)

除超聲波測(cè)距電路外，系統(tǒng)還具有語(yǔ)音報(bào)警電路、溫度測(cè)量電路和顯示電路等外圍電路。語(yǔ)音報(bào)警電路采用優(yōu)質(zhì)的的語(yǔ)音錄放芯片ISD1730，可通過(guò)SPI接口與STC12C5A60S2單片機(jī)連接，外接揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)多種語(yǔ)音錄放功能控制，處理多達(dá)255段語(yǔ)音信息[4]。圖4所示為語(yǔ)音報(bào)警電路原理圖。

圖4 語(yǔ)音報(bào)警電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of voice alarming circuit

溫度測(cè)量電路采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)測(cè)溫[5]，顯示電路采用LCD1602字符型液晶顯示器顯示最近障礙物的距離值，電路如圖5所示。

2.3 主控單片機(jī)STC12C5A60S2接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控器件，指令代碼與傳統(tǒng)8051單片機(jī)完全兼容，但處理速度是傳統(tǒng)8051單片機(jī)的8~12倍，具有44根I/O口線，片內(nèi)集成60KB 的Flash ROM、1280B的RAM以及SPI、UART、PWM和ADC等多種接口，易于系統(tǒng)集成。圖5為STC12C5A60S2單片機(jī)與各外圍電路的的接口設(shè)計(jì)圖。

圖5 單片機(jī)STC12C5A60S2接口設(shè)計(jì)Fig.5 Schematic diagram of SCM STC12C5A60S2 interface circuit

3 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 算法設(shè)計(jì)

由于倒車過(guò)程中周圍運(yùn)動(dòng)物體對(duì)于測(cè)距結(jié)果存在干擾可能導(dǎo)致報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性下降，而聲波在空氣中的傳播速度受到環(huán)境溫度的影響也會(huì)測(cè)距結(jié)果的精度降低。為了抑制此類噪聲的影響，軟件算法中采用了中值濾波和溫度補(bǔ)償進(jìn)行優(yōu)化。具體措施是先將GM3101超聲波測(cè)距芯片連續(xù)5次的測(cè)距結(jié)果求平均值

考慮到GM3101超聲波測(cè)距芯片使用的聲速值為v′=340 m/s，而聲速v與溫度t的關(guān)系為v=331.5+0.607t。因此需引入測(cè)溫傳感器DS18B20的測(cè)量值t進(jìn)行聲速修正，以最終確定修正后的測(cè)距結(jié)果S。

3.2 主流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、測(cè)距信息接收模塊、溫度測(cè)量模塊、濾波與溫度補(bǔ)償模塊、語(yǔ)音報(bào)警輸出模塊及距離顯示輸出模塊，系統(tǒng)主流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主流程圖Fig.6 Flow chart of the main program

4 結(jié)束語(yǔ)

基于在STC12C5A60S2單片機(jī)[7-8]的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)經(jīng)多次試驗(yàn)改進(jìn)，已經(jīng)制作成功。該系統(tǒng)最大測(cè)量距離為3.15 m，測(cè)量精度為0.05 m，語(yǔ)音報(bào)警準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定可靠，完全滿足車輛倒車的功能要求。

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