多功能倒車安全提示裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬明欣 大連育明高中

多功能倒車安全提示裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬明欣 大連育明高中

本文研制的倒車安全提示裝置以單片機(jī)（STC89C52）為核心，采用四組超聲波測(cè)距模塊獲得障礙物與汽車尾部的距離信息，單片機(jī)經(jīng)過(guò)信息處理后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，并采用蜂鳴器、LED實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警——不同的安全距離鳴叫、閃爍的頻率不同，以提示司機(jī)注意安全。此外，考慮季節(jié)更替等因素導(dǎo)致工作環(huán)境溫度變化較為明顯，采用溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，據(jù)此計(jì)算當(dāng)前的聲速，修正超聲波測(cè)距結(jié)果，并將當(dāng)前的溫度實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。該裝置功能齊全，實(shí)用性強(qiáng)，制作成本低廉，測(cè)量精度高。

單片機(jī)（STC89C52）；超聲波測(cè)距模塊；溫度傳感器

引言

目前的中低檔家用汽車上，雖然大部分都裝有倒車?yán)走_(dá)，但一般都只有“嘀嘀”鳴叫聲提示功能。在夏季車窗打開且外面噪音較大，司機(jī)往往聽(tīng)不清楚鳴叫聲，常常導(dǎo)致倒車安全事故的產(chǎn)生。如果倒車?yán)走_(dá)能夠具有實(shí)時(shí)顯示功能，在類似上述車內(nèi)有噪聲的情況下，司機(jī)可以通過(guò)看顯示屏就可以判斷與障礙物的距離，大大降低倒車事故的概率。

1.系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與功能

倒車安全提示裝置中首先要有超聲波測(cè)距模塊，以獲得障礙物與汽車尾部的距離信息，但這些信息需要經(jīng)過(guò)計(jì)時(shí)得到超聲波的回波時(shí)間，再通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算才能獲得真正的距離信息，為實(shí)現(xiàn)上述的信息處理與計(jì)算功能，采用體積小、價(jià)格低廉的單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，在完成信息處理與計(jì)算的同時(shí)，還要將相關(guān)距離信息在液晶顯示屏上顯示，并適時(shí)控制蜂鳴器蜂鳴器、LED實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警——不同的安全距離鳴叫、閃爍的頻率不同，以提示司機(jī)注意安全。此外，考慮實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，因季節(jié)更替等因素環(huán)境溫度變化較為明顯，溫度變化會(huì)導(dǎo)致聲速發(fā)生變化。為此，本系統(tǒng)采用一個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，計(jì)算當(dāng)前的聲速，以獲得準(zhǔn)確的超聲波測(cè)距結(jié)果，同時(shí)將當(dāng)前的溫度實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，使倒車安全提示裝置的功能更加全面。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 倒車提示裝置原理圖

圖2 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3 測(cè)距模塊及安裝布置

2.倒車安全提示裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)

基于性價(jià)比的考慮，決定選用STC89C52型單片機(jī)。圖2為所用單片機(jī)最小系統(tǒng)，主要包括復(fù)位電路和晶振電路。/EA引腳接+5V，選擇使用內(nèi)部8K字節(jié)的ROM。

2.2 超聲波測(cè)距電路

采用5V電源供電的HC-SR04型超聲波測(cè)距模塊，其探測(cè)精度為3mm，探測(cè)角度為15°，探測(cè)距離為2cm-400cm，實(shí)物圖如圖3（a）所示。它包括超聲波發(fā)射器、接收器及控制電路，共有4根引線：電源線2根、觸發(fā)信號(hào)輸入線、回響信號(hào)輸出線，每組與單片機(jī)的接口只需兩根口線。單片機(jī)通過(guò)P0口控制測(cè)距模塊，并通過(guò)定時(shí)器計(jì)算回波時(shí)間。本系統(tǒng)中共采用四組測(cè)距模塊，在車體上布置位置如圖3（b）所示。

2.3溫度測(cè)量電路

超聲波在空氣的傳播速度受溫度影響，故在測(cè)量過(guò)程中需要實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度來(lái)對(duì)波速進(jìn)行修正。我國(guó)部分地區(qū)季節(jié)溫差、晝夜溫差較大，故需選擇一款測(cè)溫范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)的溫度傳感器，同時(shí)，該溫度傳感器的檢測(cè)結(jié)果也可以在顯示器上顯示，使倒車安全提示裝置系統(tǒng)功能更全。

本系統(tǒng)中采用體積小、性價(jià)比高的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，其實(shí)物圖如圖4（a）所示。DS18B20可測(cè)量-55℃～+125℃范圍內(nèi)的溫度，測(cè)量精度達(dá)到0.5℃，完全滿足本裝置的要求。DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)接線非常簡(jiǎn)單，如圖4（b）所示，單片機(jī)P2.3口線與DS18B20的數(shù)據(jù)輸入輸出端相連。

圖4 DS18B20實(shí)物圖與電路連線圖

圖5 LCD12864液晶模塊及端口連接圖

圖6 主程序流程圖

圖7 調(diào)試通過(guò)后的實(shí)物照片

設(shè)測(cè)得溫度值為T（單位為℃），則可依據(jù)聲速與溫度關(guān)系式得出當(dāng)前超聲波波速v（單位為m/s）。

v = 331.5+0.607T

2.4 液晶顯示與聲光報(bào)警電路

綜合考慮屏幕大小、字庫(kù)形式等因素，選用帶漢字字庫(kù)的液晶顯示模塊LCD12864實(shí)時(shí)顯示車體（四組測(cè)距模塊）與障礙物之間的距離。其電源電壓為5V，外觀形狀如圖5（a）、（b）所示。

LCD12864共有20個(gè)接口引線，采用串行工作模式：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)口線E（6腳）激活LCD12864，通過(guò)R/W（5腳）控制數(shù)據(jù)輸入/輸出，使用CS端（4腳）進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸，PSB（15腳）為低電平。連線圖如圖5（c）所示，圖中10kΩ可調(diào)電阻可以對(duì)液晶亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，車主可根據(jù)舒適感覺(jué)自行調(diào)節(jié)。

聲光報(bào)警電路通過(guò)LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)：本系統(tǒng)將報(bào)警距離范圍分為三段，分別為1.00m～1.50m、0.60m～1.00m和小于0.60m，同時(shí)根據(jù)距離遠(yuǎn)近輔以不同頻率的聲光（蜂鳴器和紅色LED）報(bào)警提示。本系統(tǒng)中，單片機(jī)通過(guò)P2.0口線控制LED報(bào)警電路，通過(guò)P2.2口線控制蜂鳴器報(bào)警電路。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化編程思路完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。主要程序模塊包括主程序、超聲波發(fā)射接收、溫度測(cè)量、聲速修正、距離計(jì)算、LCD顯示、聲光報(bào)警等等。限于篇幅，在此只介紹主程序模塊。

主程序流程圖如圖6所示。司機(jī)開始倒車（即單片機(jī)復(fù)位上電）后，LCD12864、DS18B20等模塊以及計(jì)時(shí)器進(jìn)行初始化。初始化后，DS18B20開始檢測(cè)環(huán)境溫度來(lái)對(duì)超聲波速度進(jìn)行修正。聲速修正后，依次啟動(dòng)4組超聲波測(cè)距模塊，對(duì)車后四個(gè)位置進(jìn)行障礙物距離檢測(cè)，并將四組距離信息傳回單片機(jī)進(jìn)行處理。若當(dāng)前距離處于安全范圍內(nèi)，則LCD顯示距離并返回循環(huán)檢測(cè)；若測(cè)試距離達(dá)到某一設(shè)定距離，則開啟聲光報(bào)警、實(shí)時(shí)顯示障礙物距離。

4.研制結(jié)果

調(diào)試通過(guò)后的實(shí)物照片如圖7（a）所示，加裝有機(jī)玻璃外殼后的實(shí)物照片如圖7（b）所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示車體與障礙物之間的距離、實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度以及分段式聲光報(bào)警功能，造價(jià)低廉，工作可靠，非常實(shí)用。

[1]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)(第3版)[M].北京：清華大學(xué)出版社.2010

[2]徐愛(ài)鈞.Keil C51單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言應(yīng)用編程與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社.2013

馬明欣,(1999.04-),籍貫：遼寧大連,民族:滿族,學(xué)歷：高中