汽車超聲波雷達(dá)輔助泊車系統(tǒng)開發(fā)

梁鐸耀 梁雅淇 武斌 付向上

摘? 要：采用STC89C52RC單片機作為汽車超聲波雷達(dá)輔助泊車系統(tǒng)的控制器，配合超聲波測距模塊HC-SR04實現(xiàn)超聲波測距功能，輔助駕駛員泊車。為了補償超聲波傳播速度受溫度變化的影響，使用DS18B20溫度傳感器測取環(huán)境溫度，提高測距精度。在液晶顯示器（LCD）顯示測距結(jié)果的同時，使用語音播報模塊ISD1700播報實測距離，改善用戶的使用體驗。系統(tǒng)的有效測距范圍為0.2cm～250cm，1m以內(nèi)測距誤差小于1cm，100cm～250cm內(nèi)測距誤差小于3cm。

關(guān)鍵詞：超聲波雷達(dá);溫度補償;語音播報;STC89C52RC單片機

中圖分類號：TP216? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

由于汽車及其駕駛員的數(shù)量激增，車位緊缺和緊湊型車位對駕駛員的泊車技術(shù)提出更高的要求。為了輔助駕駛員泊車，開發(fā)具有語音播報功能的高精度汽車超聲波雷達(dá)輔助泊車系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測車體與障礙物的距離，有效擴(kuò)大駕駛員的視場，幫助駕駛員正確判斷車體位置，采取正確的泊車操作，避免剮蹭事件發(fā)生。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理如圖1所示，通過測量超聲波傳播的回波時間T，計算超聲波探頭與障礙物之間的距離，計算公式如式1所示。

（1）

式中：S為所測距離;T為超聲波的回波時間;v聲：為超聲波的傳播速度。

圖1 超聲波測距原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用STC89C52RC單片機作為輔助泊車系統(tǒng)的控制中心，配合超聲波測距模塊、溫度補償模塊和語音播報模塊等硬件，通過單片機中斷控制及串口通信等實現(xiàn)6點測距的輔助泊車系統(tǒng)。為了改善駕駛員的使用體驗，在實時顯示車體到障礙物的最小距離的同時，伴隨語音播報，方便駕駛員及時判斷車體的位置。

超聲波雷達(dá)輔助泊車系統(tǒng)由單片機、超聲波模塊、溫度補償模塊、語音播報模塊和數(shù)碼顯示模塊5部分組成，各部分安裝位置如圖2所示，6個超聲波模塊分別布置在車體的前部、側(cè)部和尾部;單片機和LCD顯示器布置在駕駛員右前方，便于查看的位置;語音播報的揚聲器布置在駕駛員座椅旁。

輔助泊車系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示。由于測距、語音播報和數(shù)字顯示需要的資源少、程序簡單，故選用單片機STC89C52RC。數(shù)據(jù)的采集處理和所有模塊的控制均由STC89C52RC實施。該單片機有4個8位可編程并行I/O口，兩個16位定時器/計數(shù)器，1個全雙工串行口，具有中斷系統(tǒng)和特殊功能寄存器SFR。CPU與各功能模塊通過內(nèi)部總線相連接，進(jìn)行信息交互。

令一個定時器記錄超聲波模塊的ECHO口保持高電平時間。另一個定時器產(chǎn)生5ms一次的中斷。每個中斷，LCD顯示刷新一次。每60個中斷，測距值更新一次。每70個中斷，ISD1700語音模塊播放距離值中的一位。

兩個外部中斷INIT0和INIT1連接按鍵，用于修改語音播報限值和安全距離報警限值。

由超聲波測距模塊HC-SR04模塊發(fā)射和接收超聲波。HC-SR04可非接式觸感測0.2cm～ 400cm的距離，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器及其控制電路。該模塊的超聲波發(fā)射接收口處于同一側(cè)，如圖1所示。單片機的I/O口連接HC-SR04的控制端Trig口，給Trig一個至少10μs的高電平觸發(fā)測距，HC-SR04模塊自動發(fā)射8個40kHz的方波，并自動檢測是否有回波信號，接收端ECHO一旦接收到回波信號，立即輸出一個高電平送至單片機I/O口，單片機檢測到高電平持續(xù)的時間就是超聲波的回波時間，由公式（1）可算出所測距離。

因為介質(zhì)溫度變化時，超聲波的傳播速度會發(fā)生較大變化，所以測距雷達(dá)要在戶外精確測量，必須補償空氣溫度變化對測距的影響。式（2）所示為超聲波傳播速度V與空氣溫度T間的關(guān)系。在系統(tǒng)中配置一個溫度傳感器來檢測實時溫度，編寫溫度—聲速的對應(yīng)數(shù)組，就能夠通過實測溫度來確定實時聲速。將經(jīng)過溫度補償?shù)穆曀俅胧剑?），得到更精確被測距離。選用測溫精準(zhǔn)、引腳少、成本低的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20測取溫度。

V=331+0.6T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：V為超聲波的實際傳播速度;T為空氣溫度。

運算處理后的最小距離由LCD實時顯示，同時語音模塊播報實測距離。語音播報功能由ISD1700語音模塊搭載一個ISD1760語音芯片實現(xiàn)。ISD1700與單片機的通信遵循SPI通信協(xié)議，硬件連接只需要4根線（SCLK，MOSI，MISO，/SS）。在SPI模式下，用戶可以對任意存儲地址進(jìn)行錄放，故逐個在地址內(nèi)錄入“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“十”、“點”、“米”、“當(dāng)前距離”的聲音信號，通過編程使得音頻地址和距離值對應(yīng)就可以實現(xiàn)語音播報。

3 程序設(shè)計

汽車超聲波雷達(dá)輔助泊車系統(tǒng)的控制程序包括主程序、超聲波發(fā)送子程序、超聲波接收中斷程序、溫度補償子程序、LCD顯示子程序、語音模塊驅(qū)動子程序以及蜂鳴器報警子程序。對單片機進(jìn)行各子程序的初始化;通過測溫程序測出當(dāng)前溫度，并查找溫度對應(yīng)的聲速;初始化定時器T0，啟動超聲波測距子程序，打開定時器，直至接收到回波信號停止計時;利用最短回波時間參數(shù)計算出最小距離，用LCD顯示并通過語音播報實時距離。當(dāng)測得的距離L≤設(shè)定的報警距離時，蜂鳴器報警，提醒駕駛員制動。主程序流程如圖4所示。

4 測試結(jié)果與結(jié)論

經(jīng)溫度補償?shù)某暡y距系統(tǒng)具有較高的測距精度，由實測數(shù)據(jù)可知，測試結(jié)果與實際距離基本一致，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。汽車超聲波雷達(dá)輔助泊車系統(tǒng)測距范圍在0.2cm～250cm，在100cm以內(nèi)誤差小于1cm，100cm～250cm內(nèi)誤差小于3cm，測距精度1.2。該系統(tǒng)以聲音播報和蜂鳴器報警方式，提醒駕駛員做出相應(yīng)操作，方便駕駛員泊車。

參考文獻(xiàn)

[1]武斌，王琦，袁文囿，等.超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2017（12）：110-113.

[2]杜寧.基于溫度補償?shù)某暡y距系統(tǒng)設(shè)計[J].輕工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017（4）：72-73.

[3]甕嘉民，翟子楠，馮賽賽.多功能超聲波測距儀的設(shè)計與研究[J].平頂山學(xué)院學(xué)報，2016（5）：34-37.

[4]沈燕，高曉蓉，孫增友，等.基于單片機的超聲波測距儀設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（7）：126-129.

[5]李軍，申俊澤.超聲測距模塊HC-SR04的超聲波測距儀設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（10）：77-78.

[6]夏繼強，鄭昆，鄭健峰，等.基于STM32的收發(fā)一體式超聲波測距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（8）：43-45，52.

[7]魏憲明.論超聲波測距儀技術(shù)[J].黑龍江科學(xué)，2013，4（9）：124.