基于超聲波的車輛倒車防撞告警器的設計

北京信息科技大學信息獲取與檢測實驗室，北京 100101

一、引言

經濟的快速發(fā)展，導致人們對汽車的需求量越來越大，特別是近年以來人口大量的向大中城市流動，造成城市車流量大幅度增加，交通也越來越擁擠。駕駛員的視線由于各種各樣的原因受到限制，給其倒車、轉彎帶來極大的不便，撞車和刮擦的事故時有發(fā)生。為此，設計一款能夠提前提醒駕駛員規(guī)避障礙物的汽車防撞告警系統(tǒng)對于駕駛員安全駕駛具有重要意義。

本文所設計的系統(tǒng)，利用單片機及超聲波測距儀實現(xiàn)了測距及告警，并引入藍牙無線通信技術實現(xiàn)了移動端的監(jiān)控。通過比較汽車尾部與障礙物之間的距離數(shù)值與預先設置好的報警距離閾值，進行距離提示與報警，當障礙物的距離小于設定的閾值時，告警器開始報警，并根據(jù)距離的遠近發(fā)出不同頻率的報警聲，同時通過藍牙上傳至移動端，便于實時查看并及時做出反應，為駕駛員提供更高的安全保障。結果表明該設計完全滿足車輛倒車防撞告警需求，具有較高的實際應用價值和市場應用前景。

二、基本原理

1、車輛倒車防撞告警系統(tǒng)原理

由裝在汽車后部的超聲波測距傳感器發(fā)射信號，當信號遇到障礙物后，反射回測距傳感器，然后由已編好程序的單片機記錄測距傳感器的發(fā)射和返回信號，接收電路接收到信號之后送入單片機進行處理，并計算出車輛與障礙物之間的距離[1]，隨后將結果送入顯示電路進行顯示，同時通過藍牙把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿佣?，接著再按照技術指標的要求進行報警。

2、超聲波測距的工作原理

超聲波測距的原理是利用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播， 途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時[2]。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s， 根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。

超聲波測距的工作方式有三種：相位檢測法、聲波幅值檢測法、渡越時間檢測法。本設計采用的即是渡越時間檢測法。

渡越時間檢測法的原理是在車輛移動的過程中利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性(縱波)，通過接收自身發(fā)射的超聲波信號，根據(jù)超聲波發(fā)出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離[3]。其中，從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經氣體介質傳播到接收傳感器的時間就是渡越時間。渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現(xiàn)。

三、硬件選取與設計

1、單片機控制模塊

本設計使用的是STC公司推出的新一代高速低功耗超強抗干擾的單片機STC89C52RC，其優(yōu)點是：指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘機器周期和6時鐘機器周期可以任意選擇。ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。具有EEPROM功能，具有看門狗功能，共3個16位定時器/計數(shù)器，即定時器T0,T1,T2。外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒，通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。

2、超聲波測距模塊

根據(jù)系統(tǒng)要求，選用HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊的主要特點是體積小，測距精度高，HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3mm；反應速度快，10ms的測量周期，不容易丟失高速目標；發(fā)射頭和接收頭緊靠，和被測目標基本呈直線關系；模塊上有LED指示，偏于觀察和確認。

HC-SR04模塊的工作原理：采用I/O觸發(fā)測距，根據(jù)超聲波時序圖可知：只要給TRIG提供一個至少10μs的高電平信號，模塊會自動發(fā)送8個40kHz的方波，并自動檢測回波；有信號返回，則通過I/O口ECHO輸出一個高電平信號，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離= (高電平時間*聲速(340m/s))/2。超聲波的時序圖如圖2所示。

3、藍牙模塊

無線藍牙通信采用HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊，具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色。在這里我們采用自動連接模式，當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸。其電路結構如圖3所示。

4、顯示模塊

顯示電路采用4位共陰極LED數(shù)碼管進行動態(tài)顯示。

四、系統(tǒng)軟件設計

開發(fā)環(huán)境選用Keilμ Vision4 IDE集成開發(fā)環(huán)境，根據(jù)車輛倒車防撞告警器的功能，系統(tǒng)軟件部分要實現(xiàn)的功能如下：

（1）控制超聲波的發(fā)射與接收；

（2）計算超聲波往返時間差，進而計算出汽車尾部與障礙物之間的距離；

（3）進行數(shù)據(jù)處理，比較汽車尾部與障礙物之間的距離數(shù)值與預先設置好的報警距離閾值；

（4）進行距離提示與報警，根據(jù)距離的遠近發(fā)出不同頻率的報警聲；

（5）向移動端上傳數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)軟件采用面向對象的模塊化編程思想。整個系統(tǒng)軟件包括發(fā)射子程序、接收子程序、計時子程序、測距子程序、顯示子程序、藍牙通訊子程序、報警子程序等模塊，其程序流程如圖4所示。

五、系統(tǒng)性能及可行性測試情況

經過實驗模擬測試，當障礙物距離小于設定的閾值時，告警器開始報警，隨著障礙物的距離越來越近，報警頻率不斷提高，當遠離障礙物時，告警頻率便會隨之下降，直到障礙物距離超出設定閾值，即認為車輛在安全范圍之內，告警器不再報警，此時移動端正常顯示距離測量數(shù)據(jù)，當障礙物距離超出400cm（即HC-SR04模塊最大感測范圍）時，停止刷新數(shù)據(jù)。實驗測試結果證明設計滿足實際應用需求。

六、結論

本設計硬件簡單，成本較低，易于實現(xiàn)，報警閾值可以自行調整，讀數(shù)直觀，超聲波測距顯示單元和移動端實時監(jiān)控部分相互獨立，可同時進行，保證了測距數(shù)據(jù)的實時性。

測試過程中會有3～5cm左右的誤差，主要原因有：超聲波回波強弱與障礙物的距離遠近有直接關系；超聲波波束對探測目標角度范圍產生的影響；媒質溫度變化對測量精度造成的影響?？刹捎镁雀叩臏y距傳感器進行改進。但在汽車防撞告警系統(tǒng)中，此誤差基本滿足使用要求。