基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)研究

徐蘇奇 董林海 姜登科

摘? 要：在汽車倒車時(shí)，車主可以通過終端顯示器，清晰地看到汽車尾部和側(cè)部與附近物體之間的距離，而一旦兩者之間的距離小于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提示司機(jī)及時(shí)進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)碰撞剮蹭?？梢姡舾行詮?qiáng)、性能良好、探測(cè)范圍廣的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)，在日常行車中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。本文在簡(jiǎn)要闡述超聲波測(cè)距運(yùn)行機(jī)制與原理的前提下，對(duì)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，并從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩方面入手展開了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);超聲波測(cè)距;軟件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274.53;TP368.12? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0051-02

0? 引? 言

隨著人們生活水平的提升，汽車已經(jīng)成為了現(xiàn)代家庭的標(biāo)配，并使得汽車的規(guī)模不斷擴(kuò)大，但隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，城市土地資源越來越緊張，交通擁堵成為了城市生活的常態(tài)。在此背景下，汽車轉(zhuǎn)、停、倒、靠等行為也受到了較大限制，對(duì)司機(jī)，尤其是新手司機(jī)更是提出了巨大挑戰(zhàn)，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)追尾和剮蹭，不僅給當(dāng)事人帶來了較大的安全和財(cái)產(chǎn)損害，而且對(duì)交通運(yùn)行也會(huì)造成許多壓力。因此，許多車主都希望汽車能夠具備距離探測(cè)和智能報(bào)警功能，這就催生了汽車防碰撞系統(tǒng)。但就現(xiàn)狀來講，當(dāng)前汽車防碰撞系統(tǒng)普遍存在功能簡(jiǎn)單、靈敏性弱等問題，沒有充分滿足消費(fèi)者的個(gè)性需求。本文根據(jù)超聲波測(cè)距原理，在倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，試圖設(shè)計(jì)一種更為靈敏，適用范圍更為廣泛的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)。

1? 超聲波測(cè)距的運(yùn)行機(jī)制與原理

超聲波是一種頻率高、反射性強(qiáng)、穿透力強(qiáng)的特殊波段，其直線傳播的特性非常適合用于測(cè)距。當(dāng)前，超聲波測(cè)距的方法主要有三種，包括相位檢測(cè)法、幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法，而本系統(tǒng)中所用的為渡越時(shí)間檢測(cè)法。因?yàn)檫@種方法具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、測(cè)量精準(zhǔn)度高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。具體運(yùn)行機(jī)制如下：超聲波傳速為C，從單片機(jī)開始進(jìn)行運(yùn)算到回波反饋結(jié)束的時(shí)間差為△T，汽車尾部和側(cè)部與附近物體的距離為S，即S=C*△T/2。由于超聲波傳播速度會(huì)受到外部氣溫的影響，所以本系統(tǒng)中會(huì)增設(shè)相應(yīng)的溫度補(bǔ)償模塊，以確保測(cè)距結(jié)果的精準(zhǔn)性。

2? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

超聲波測(cè)距是整個(gè)系統(tǒng)的核心支撐，司機(jī)在將擋位掛到倒車檔時(shí)，整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)會(huì)自行啟動(dòng)，超聲波發(fā)射器和計(jì)時(shí)器同步運(yùn)行，當(dāng)超聲波遇到障礙物進(jìn)行反射后，接收器會(huì)進(jìn)行接收，當(dāng)接收完成的一瞬間，計(jì)時(shí)器停止運(yùn)行。隨后，STC89C52單片機(jī)根據(jù)上述超聲波運(yùn)送公式進(jìn)行運(yùn)算后，將結(jié)果信息傳輸?shù)斤@示終端和警報(bào)終端。

在整個(gè)系統(tǒng)中，為了確保測(cè)距結(jié)果的精準(zhǔn)性，采用了ARM控制器脈沖計(jì)數(shù)，然后將時(shí)間轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)量N，帶入上式后得到L=NC/2f，式中的f表示脈沖頻率。根據(jù)物理學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，零度以下時(shí)，超聲波傳播速度為每秒鐘331.48m，對(duì)此，我們可以利用相關(guān)軟件對(duì)其展開修整，以最大程度地消除溫度對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，擬采用DS18B20傳感器作為溫度補(bǔ)償機(jī)制，因?yàn)樵搨鞲衅骶哂须妷悍秶鷮?、?fù)壓范圍廣、分辨率可調(diào)、測(cè)量精度誤差小等優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，該系統(tǒng)的硬件主要由STC89C52單片機(jī)、DS18B20傳感器、顯示終端、超聲波接發(fā)器、報(bào)警器構(gòu)成，而軟件則主要由主程序、溫度補(bǔ)償、數(shù)字顯示、報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等構(gòu)成。

3? 硬件子系統(tǒng)構(gòu)成

3.1? 超聲波發(fā)射子系統(tǒng)

超聲波發(fā)射子系統(tǒng)主要由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路兩大模塊構(gòu)成，STM32F103VB的PD 10端口輸出的脈沖波為40ms，其升壓和脈寬主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)施管控，輸出周期和高電平寬度分別為40ms、160μS，而其信號(hào)則是555振蕩器的置位脈沖。具體過程是，555振蕩器定期首先發(fā)出8個(gè)40kHz脈沖，然后超聲波發(fā)射器將其轉(zhuǎn)化為超聲波信號(hào)進(jìn)行發(fā)射，最后當(dāng)超聲波遇到介質(zhì)阻礙后，就會(huì)反射回來，并由超聲波接收器獲取。

3.2? 超聲波接收子系統(tǒng)

超聲波接收子系統(tǒng)主要由三大模塊構(gòu)成，包括檢波電路、放大電路、整形電路，并由集成芯片CX20106提供核心支撐。該集成芯片屬于紅外線檢波接收專用芯片，在紅外遙控領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，有著較強(qiáng)的靈敏性和抗干擾性。而為了最大程度地避免接收器出現(xiàn)宕機(jī)，需要對(duì)電容進(jìn)行調(diào)整，簡(jiǎn)單來講，就是當(dāng)沒有信號(hào)時(shí)，輸出高電平，當(dāng)有信號(hào)時(shí)，則輸出低電平。同時(shí)，為避免將發(fā)射器的探頭回波誤以為是反射回來的超聲波，可利用相關(guān)軟件實(shí)施延時(shí)處理，就是在脈沖發(fā)出后要延遲些許，才允許單片機(jī)接收中斷信號(hào)。

3.3? 終端顯示子系統(tǒng)

超聲波屬于典型的機(jī)械波，在其實(shí)際傳播過程中，不僅會(huì)受到溫度的影響，而且還會(huì)受到其他環(huán)境因素的影響，這就要求通過相應(yīng)的穩(wěn)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償和修整，以確保其處于最佳的測(cè)量狀態(tài)。為此，本系統(tǒng)基于DS18B20芯片的特點(diǎn)與性能，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了測(cè)溫電路，由于該芯片的I/O線只有一根，所以只需要在DQ引腳處設(shè)置上拉電阻就行。另外，該系統(tǒng)通過串行的方式進(jìn)行終端顯示的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，就是通過簡(jiǎn)單的三根共陽極連接數(shù)碼管進(jìn)行汽車尾部側(cè)部的距離顯示。簡(jiǎn)單來講，就是將芯片上p0.0、p0.7兩個(gè)端口進(jìn)行連接，將其作為段選，隨后將p2.1、p2.3兩個(gè)端口與三個(gè)公共端口進(jìn)行連接，并將其作為位選。

3.4? 報(bào)警子系統(tǒng)

目前，在汽車測(cè)距警報(bào)系統(tǒng)中，最常用的警報(bào)器就是蜂鳴器，盡管它有著固定的頻率，但通過不同頻率方波的持續(xù)作用，也能夠讓它發(fā)出簡(jiǎn)單的樂曲。相比于揚(yáng)聲器，蜂鳴器造價(jià)成本低，且使用壽命長(zhǎng)，只需要合適直流電壓通過就能夠發(fā)出相應(yīng)的聲音。因此，該系統(tǒng)的報(bào)警子系統(tǒng)同樣采用的是蜂鳴器，由單片機(jī)端口p3.6發(fā)出40kHz的信號(hào)，然后借助8050三極管放大后作用于蜂鳴器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)警報(bào)發(fā)聲。當(dāng)汽車尾部或側(cè)部與附近物體的距離較短時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警告。另外，還可以增設(shè)一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)器，距離越近信號(hào)頻率越高，蜂鳴器報(bào)警聲就越緊湊，進(jìn)而為司機(jī)的距離判斷提供重要參考，避免發(fā)生碰撞。

4? 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

在超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)無疑是不可或缺的重要構(gòu)成，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采取常規(guī)的C語言進(jìn)行程序編寫。在硬件組成電路中，超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，然后單片機(jī)通過具體反射時(shí)間測(cè)算出汽車與附近物體之間的距離。具體來講，當(dāng)計(jì)時(shí)器開始運(yùn)行后，發(fā)射出去的超聲波在遇到介質(zhì)阻礙后就會(huì)反射回來，隨后接收器在接收到反射超聲波后，向芯片輸入相應(yīng)信號(hào)，最后單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)結(jié)合具體時(shí)間數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過修正計(jì)算得出具體的距離，并將相關(guān)信號(hào)傳達(dá)給顯示系統(tǒng)，當(dāng)距離低于設(shè)置的相應(yīng)極限值后，向報(bào)警系統(tǒng)傳輸相應(yīng)信號(hào)，進(jìn)而引發(fā)蜂鳴器。

5? 結(jié)? 論

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈敏性，盡管存在一定的誤差，但都是在可接受和可控制的范圍內(nèi)?？梢哉f，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅能夠?yàn)樗緳C(jī)提供重要的安全保障，而且能夠減少交通事故的發(fā)生，我們有理由相信，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)將變得更加人性化，尤其是3D成像系統(tǒng)與測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)合，可以說是大有可期。

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作者簡(jiǎn)介：徐蘇奇（1999.07-），男，漢族，江蘇丹陽人，學(xué)生，研究方向：汽車電子技術(shù);董林海（1998.10-），男，漢族，江蘇啟東人，學(xué)生，研究方向：汽車檢修技術(shù);姜登科（1997.09-），男，漢族，江蘇睢寧人，學(xué)生，研究方向：汽車電子技術(shù)。