具有語音提示功能的超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設(shè)計

張 欣，馮 雷，姜長坤

（長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車的數(shù)量也在快速增長。在享受汽車給我們帶來的便利的同時，倒車事故問題也日益突出。若車后方的障礙物處于駕駛員的視覺盲區(qū)時，會對駕駛員的泊車、倒車造成不便，甚至造成事故。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，大量的汽車事故是由汽車倒車“后視不良”造成的。目前，中、高檔小型汽車基本都配置了倒車雷達，倒車雷達產(chǎn)品的測距范圍集中在0.3～3m，價格在幾百元到上千元不等。出于對成本的考慮，許多經(jīng)濟型的小型汽車、大型貨車及客車等還沒有配備倒車雷達［1－2］。本文設(shè)計了一套成本低、測量精度較高、穩(wěn)定性較好的倒車雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用超聲波傳感器測量距離，并配有語音芯片實時播報車后保險杠與障礙物距離，為駕駛員提供了明確的距離提示，提高了倒車的安全性。具有語音提示功能的超聲波倒車雷達系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

1 超聲波測距原理及誤差來源

超聲波測距的原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波時就立即停止計時。于是利用超聲波在空氣中的傳播速度，以及超聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間差即可計算發(fā)射點到障礙物的實際距離，即時間差測距法。測距的公式為：

式中：L為要測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波傳播的時間差。

根據(jù)超聲波測距公式（1）可知，超聲波測距誤差主要是由超聲波的傳播時間誤差和傳播速度誤差引起的。

1）單片機選型對傳播時間誤差的影響。設(shè)超聲波傳播速度是準確的，則測量距離的傳播時間差精度只要達到微秒（μs）級，就能在理論上保證測距誤差小于1mm。使用的12MHz晶體作為時鐘基準的STC89C52單片機定時器能方便地定時到1μs的精度，可以保證測距精度。

2）環(huán)境溫度對傳播速度誤差的影響。超聲波的傳播速度主要受溫度的影響，它們之間的近似關(guān)系為：

式中T為實際環(huán)境溫度。

若想提高超聲波測距精度，就必須對其進行溫度補償［3－4］。

3）超聲波波束的入射角引起的誤差。當(dāng)反射波入射到探頭的角度不是直角時，系統(tǒng)測量到的距離是障礙物與探頭之間的距離，而不是與保險杠的垂直距離，這會引起測量誤差。當(dāng)車尾與障礙物的距離較小的時候，此誤差會成為測距的主要誤差來源［4］。設(shè)計中通過在汽車車尾處安裝3個或以上的探頭個數(shù)來減小該誤差。

此外，有一部分從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭的直達波會干擾回波信號的檢測。這種干擾可通過軟件算法進行處理；反射物體表面材料的介質(zhì)也會引起誤差，反射物體表面是光滑的介質(zhì)，比粗糙的介質(zhì)測量效果更好。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案及關(guān)鍵電路設(shè)計

系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，使用超聲波傳感器檢測車尾與后方障礙物的距離，并使用語音芯片ISD1700進行語音播報實時距離，當(dāng)距離達到一定閾值時進行聲光報警。系統(tǒng)配有溫度傳感器電路測量環(huán)境溫度，對超聲波傳播速度進行實時補償。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。啟動超聲波測距時，首先由STC89C52單片機發(fā)出40kHz的脈沖串，每20個脈沖為一串，脈沖串通過超聲波發(fā)射電路驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，單片機在發(fā)送脈沖的同時定時器開始計時；超聲波遇到障礙物后所產(chǎn)生的回波被超聲波接收探頭接收，其輸出的正弦波經(jīng)過三級放大，再經(jīng)過電壓比較器產(chǎn)生中斷信號中斷單片機的計時，這樣就得到了超聲波的傳輸時間，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)測出的時間差及溫度補償后的傳播速度計算出車尾與后方障礙物的距離。中斷返回后再發(fā)送下一串脈沖，并用語音芯片ISD1700播報實時的距離，當(dāng)距離達到一定限度時，進行聲光報警。

2.1 超聲波發(fā)射及接收電路的設(shè)計［5］

超聲波發(fā)射探頭選用CSB40T，這里采用軟件發(fā)生法產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波，電路如圖2所示。利用NE555P的基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波，R15為可調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié)信號頻率。為保證NE555P有足夠的驅(qū)動能力，采用12V電源，TRIG為超聲波發(fā)射控制信號，由STC89C52單片機控制。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

圖2 超聲波發(fā)射電路

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路3部分。超聲波接收探頭選用CSB40R。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此需經(jīng)放大電路放大。此外正弦波信號不能直接由單片機接收處理，因此需進行波形變換。根據(jù)超聲波測距原理，單片機只需要第一個回波的時刻。超聲波接收電路如圖3所示。信號放大和變換采用四級運算放大器，前三級為放大器設(shè)計，后一級為比較器設(shè)計。放大電路采用單電源供電。為滿足交流信號的需要，每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移，即圖3中的C11、C12、C18和C19，容量均為10μF，實現(xiàn)單電源條件下交流信號放大。

圖3 超聲波接收電路

2.2 溫度補償電路的設(shè)計

由于溫度對聲速的影響較大，為了提高系統(tǒng)的測量精度，需要設(shè)計溫度補償電路。這里采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量環(huán)境溫度，直接輸出數(shù)字量，便于單片機處理及控制，節(jié)省硬件電路。DS18B20與單片機接口電路如圖4所示。DS18B20采用單總線方式和STC89C52單片機相連，即DS18B20的2腳接至STC89C52的I／O引腳，且需接一個上拉電阻。

2.3 語音播報電路的設(shè)計

本系統(tǒng)采用ISD1700語音芯片進行語音報警電路的設(shè)計，ISD1700系列語音芯片是一種高集成度、高性能的芯片，有較好的音質(zhì)和斷電存儲功能，可以實現(xiàn)多段錄音，能夠滿足系統(tǒng)要求。ISD1700語音播報電路如圖5所示。單片機的P1.0接ISD1700的片選引腳／SS，控制芯片是否選通；P1.1接ISD1700的串行時鐘引腳SLCK；P1.2接ISD1700串行輸入引腳MOSI，從該引腳讀入錄放音的地址；P1.3接ISD1700的串行輸出引腳MISO。

語音播報電路的主要作用是在汽車倒車過程中，為駕駛員提供語音提示，使其及時獲知汽車與障礙物之間的距離。當(dāng)?shù)管嚲嚯x大于3m時，語音提示為“請放心倒車”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x為3m、2m、1m及0.8m 時，語音提示為 “3m”、“2m”、“1m”、“0.8m”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于等于0.5m時，語音提示為“危險！緊急停車”。

圖4 溫度補償電路

圖5 語音播報電路

此外系統(tǒng)還設(shè)計了聲光報警電路、液晶顯示電路及鍵盤電路。聲光報警電路主要是配合語音播報電路，通過不同的蜂鳴聲音及不同顏色的指示燈也可提示駕駛員倒車距離。液晶電路主要用于顯示實時的環(huán)境溫度、車尾與后方障礙物的實時距離等信息。鍵盤電路是為用戶提供按鍵操作，確定系統(tǒng)工作在用戶選定功能模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于該系統(tǒng)功能復(fù)雜、信息量大、程序較長，因此采用模塊化程序設(shè)計方法。系統(tǒng)模塊分為主控模塊、超聲波測距模塊、溫度補償模塊、顯示模塊、語音播報模塊、聲光報警模塊及按鍵模塊等。系統(tǒng)采用C語言編寫程序，主程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)性能測試

具有語音提示功能的倒車雷達系統(tǒng)以超聲波測距傳感器為主體，其中超聲波發(fā)射和接收探頭采用CSB40T和CSB40R，頻率為40kHz，安裝時保持2探頭中心軸線平行并相距0.03～0.08m。超聲波測距范圍的最小值是由盲區(qū)決定的，為了避開超聲波的余震，通過實際測量，設(shè)定最小值為0.2m。測距最大范圍由超聲波發(fā)射模塊的功率決定，設(shè)定最大值為4m。實際系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)見表1。

圖6 主程序流程圖

5 結(jié)論

根據(jù)系統(tǒng)測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)測距范圍在0.2～3.4m內(nèi)滿足測量精度為1%的基本要求。

2）在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)，測距的平均絕對誤差為0.015m；

3）在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)，測距的平均相對誤差為1%；

綜上所述，所設(shè)計的超聲波倒車雷達系統(tǒng)性能穩(wěn)定，制作成本可限制在100元／套以內(nèi)，在實驗測試中取得了較好的效果。該系統(tǒng)能夠快速、準確地計算出汽車尾部與障礙物的距離并實時顯示，當(dāng)達到一定危險距離時進行語音提示，實現(xiàn)了提高倒車安全性的目的。

表1 系統(tǒng)測試

［1］秦偉，顏文俊.基于CX20106A的超聲波倒車雷達設(shè)計［J］.壓電與聲光，2011，33（1）：161－164.

［2］楊旺喜，茅嘉偉，沈明明，等.基于單片機的超聲波倒車雷達系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技信息，2014（9）：12－13.

［3］張攀峰，王玉萍，張健，等.帶有溫度補償?shù)某暡y距儀的設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2012，20（6）：1717－1719.

［4］趙海，張寬，朱劍，等.基于TDOA的超聲波測距誤差分析與改進［J］.東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，32（6）：802－805.

［5］滕志軍.基于超聲波檢測的倒車雷達設(shè)計［J］.今日電子，2006（9）：78－83.