基于超聲波測距的汽車倒車防撞報警系統(tǒng)設計

王虎 楊啟正 李約朋

湖南交通工程學院 湖南省衡陽市 421009

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，汽車的數(shù)量大幅增加，交通運輸業(yè)日益興旺，但交通事故也日趨嚴重，造成了大量人員傷亡與經(jīng)濟損失，因此汽車安全駕駛系統(tǒng)的研究成為當下汽車企業(yè)關(guān)注的焦點，其中汽車倒車雷達系統(tǒng)的研究與開發(fā)更為迫切。目前市場上汽車倒車雷達系統(tǒng)種類較多，但大多價格昂貴，因此設計一種性價比較高的倒車防撞報警系統(tǒng)非常迫切和重要。本文以AT89S51單片機作為控制器，采用超聲波測距的原理，設計了一種整體結(jié)構(gòu)簡單、性價比合理、可靠性較高的汽車倒車防撞報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用模塊化設計，具有較高的靈活性和擴展性，主要由微控制器模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊、液晶顯示器模塊等構(gòu)成。

2 汽車倒車防撞報警系統(tǒng)整體設計

本文設計了一種以AT89S51單片機作為控制器，超聲波傳感器作為測量元件的汽車倒車防撞報警系統(tǒng)。當駕駛員將汽車檔位切換到倒車檔時，倒車防撞報警系統(tǒng)也同時開啟。本系統(tǒng)能夠精確測量汽車尾部與障礙物的距離，并將測量的距離在LCD上進行實時顯示；當汽車尾部與障礙物的距離小于設定的危險距離時，聲光報警系統(tǒng)將啟動，提高安全性。為了提高超聲波測距的精度，本系統(tǒng)在基本電路的基礎(chǔ)上加入了溫度補償電路。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)部分硬件電路設計

3.1 微控制器模塊電路設計

單片機最小系統(tǒng)如圖2所示。

3.2 超聲波測距模塊電路設計

超聲波指的是超過人類聽覺所能分別的最大頻率20KHz及以上的聲波。利用超聲波進行測距的方法主要有渡越時間測量法、相位測量法及聲波幅值檢測法等。本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、測量精度較高、測量穩(wěn)定性好及測量范圍較廣的渡越時間檢測法。該測量方法相對于聲波幅值檢測法受外部環(huán)境的影響較小，相對于相位檢測法測量范圍較廣。超聲波渡越時間檢測法的實現(xiàn)過程：首先由單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)生矩形脈沖信號時開始計數(shù)，同時超聲波發(fā)射器產(chǎn)生超聲波，當聲波遇到障礙物時會發(fā)生反射，再通過超聲波接收器接收，當微控制器接收到回波信號時停止計數(shù)。汽車與障礙物的距離計算公式如下：

式中：D-測量距離；V-聲波的傳播速度；△t-超聲波往返的時間；N-微控制器計數(shù)的脈沖數(shù)量；T0-單片機的機器周期。

超聲波測距模塊主要由超聲波發(fā)送電路和超聲波接收電路兩部分構(gòu)成。超聲波發(fā)射模塊電路的超聲波探頭選用CSB40T，利用LM555及外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器電路，通過調(diào)節(jié)電阻Rp的阻值，使振蕩頻率與超聲波探頭的固有頻率（40KHz）保持一致，由LM555第3腳輸出端驅(qū)動CSB40T，從而使超聲波探頭發(fā)射超聲波信號。超聲波發(fā)射模塊電路如圖3所示。

超聲波接收模塊電路主要是用于超聲波回波信號的接收與處理，為了保證回波信號的正常接收，本系統(tǒng)選用與發(fā)射探頭對應型號的接收探頭CSB40R和紅外線/超聲波接收專用芯片CX20106A等構(gòu)成超聲波接收電路。超聲波接收模塊電路如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

圖1 汽車倒車防撞報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 單片機最小系統(tǒng)

圖3 超聲波發(fā)射模塊電路

圖4 超聲波接收模塊電路圖

汽車倒車防撞報警系統(tǒng)軟件設計部分主要由：主程序、超聲波信號發(fā)射子程序、回波信號接收中斷子程序、環(huán)境溫度測量子程序、測量距離修正子程序、LCD顯示子程序、聲光報警子程序等構(gòu)成。本系統(tǒng)工作流程：當駕駛員切換到倒車檔時，汽車倒車防撞報警系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)進行初始化處理；然后超聲波探頭開始發(fā)射超聲波，單片機的內(nèi)部定時計數(shù)器開始計數(shù)，當超聲波接收探頭接收到回波信號時，定時計數(shù)器停止計數(shù)并且開外部中斷；溫度傳感器實時檢測外部環(huán)境溫度，并根據(jù)測量得到的溫度確定對應的聲波傳播速度，通過超聲波測距公式可計算出汽車與障礙物的距離；當汽車與障礙物的距離小于設定的危險距離時，聲光報警器啟動。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用AT89S51單片機作為微控制器，結(jié)合超聲波測距，設計出了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、測量精度較高的汽車倒車防撞報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示汽車與障礙物之間的距離，并且增加了溫度補償電路，提高了測量精度，當測量距離小于設定的報警距離時啟動聲光報警。通過對本系統(tǒng)進行仿真測試，達到了預期目標。