一種應(yīng)用單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許燕

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710300)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車的數(shù)量也在不斷的增加。如今越來(lái)越多的人們將汽車作為一種代步工具，因此，對(duì)汽車的安全性能也提出了更多的需求。其中最為常見的一種需求是倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)，倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)通常被人們稱作是倒車?yán)走_(dá)，它的主要作用是幫助人們完成倒車等相關(guān)操作。當(dāng)汽車開始倒車時(shí)，倒車?yán)走_(dá)將利用超聲波以及聲速的溫度補(bǔ)償算法來(lái)進(jìn)行測(cè)距，車體到達(dá)測(cè)定范圍內(nèi)時(shí)，倒車?yán)走_(dá)將告知司機(jī)當(dāng)前車體與障礙物之間的距離大小，車體與障礙物之間的距離形成危險(xiǎn)距離時(shí)，倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)將會(huì)播報(bào)具體的情況。在此篇文章中主要介紹了一種以單片機(jī)技術(shù)為主所設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為成本低，性能好，能夠滿足使用者的需求。

1 倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)，它的整體設(shè)計(jì)思路為汽車掛上倒擋后系統(tǒng)會(huì)利用超聲波進(jìn)行測(cè)距，若測(cè)出的距離已經(jīng)對(duì)車體以及乘坐人構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)，則語(yǔ)音系統(tǒng)會(huì)在LED顯示屏上進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警，提醒司機(jī)應(yīng)注意與障礙物之間的距離，減少意外的發(fā)生。提高駕駛的安全性能。其中值得注意的是預(yù)警系統(tǒng)為了提高測(cè)距的準(zhǔn)確性加入了聲速的溫度補(bǔ)償[1]。其具體的操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 以單片機(jī)為主的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距的電路模塊主要利用超聲波的發(fā)送和接收電路進(jìn)行測(cè)距操作，其測(cè)距大小準(zhǔn)確，差錯(cuò)極少，單片機(jī)的控制電路模塊的主要作用為穩(wěn)定時(shí)鐘的頻率，其成本低廉，操作簡(jiǎn)單[2-3]。

2.1 超聲波測(cè)距電路模塊

2.1.1 超聲波發(fā)送電路

超聲波發(fā)送器主要指的是超聲波以及相關(guān)設(shè)備的發(fā)送器，它主要由兩方面構(gòu)成。包括超聲波的產(chǎn)生電路以及超聲波的發(fā)射電路。超聲波的信號(hào)是由軟件以及硬件的共同作用下產(chǎn)生的。

其中軟件發(fā)生法是使用軟件發(fā)出40 kHz的超聲波信號(hào)，即為運(yùn)用軟件產(chǎn)生法形成超聲波信號(hào)的過程。此方法的特點(diǎn)為具有極強(qiáng)的開放性和靈活性，作為主要軟件，操作較為方便[4]。

其中硬件產(chǎn)生法是使用系統(tǒng)通常所用的電路或較為特殊的電路等來(lái)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，即為運(yùn)用硬件產(chǎn)生法形成超聲波信號(hào)的過程。此方法的特點(diǎn)為轉(zhuǎn)換效率高、時(shí)速快、無(wú)需驅(qū)動(dòng)。但靈活性較差，操作難度大。

由上文可以得出，本文的設(shè)計(jì)使用方法為軟件發(fā)生法，它主要是由軟件產(chǎn)生信號(hào)后經(jīng)由引線末端輸出，利用了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由此進(jìn)入探頭處產(chǎn)生超聲波，其中產(chǎn)生極為關(guān)鍵作用的探頭在整個(gè)設(shè)計(jì)中選用的為CSB40T。

2.1.2 超聲波接收電路

為了確保超聲波的正常接收，超聲波接收探頭應(yīng)選用與超聲波發(fā)送探頭適配的產(chǎn)品型號(hào)，因此在此設(shè)計(jì)中采用了與 CSB40T相關(guān)聯(lián)的 CSB40R，以此發(fā)生正常的反應(yīng)，達(dá)到共振效果[4]。

因使用超聲波探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)較弱，達(dá)不到預(yù)期效果，故使用信號(hào)放大模塊來(lái)放大信號(hào)，使用4片LM324信號(hào)放大模塊來(lái)進(jìn)行信號(hào)的放大處理，并將放大處理后的信號(hào)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。由圖可知，前面的三級(jí)和后面的一級(jí)分別為放大器設(shè)計(jì)以及比較器設(shè)計(jì)。其超聲波的接收電路如圖2所示。

圖2 超聲波接收電路

2.2 單片機(jī)控制電路模塊

由于系統(tǒng)需要單片機(jī)進(jìn)行連接的線路較少，以及系統(tǒng)本身需要使用的功能較少，因此本設(shè)計(jì)從成本方面考慮選用了型號(hào)為AT89C2051的單片機(jī)為系統(tǒng)主體的重要部件。型號(hào)為AT89C2051的單片機(jī)主要有2個(gè)計(jì)數(shù)器，15個(gè)相關(guān)電路的處理端口以及20個(gè)有關(guān)于各線路的相關(guān)接線，此設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為操作運(yùn)用便捷、占用區(qū)域少、成本較低。在操作的過程中，為確保時(shí)鐘頻率的準(zhǔn)確性以及整個(gè)操作的合理性，減少因測(cè)量失誤帶給設(shè)計(jì)的影響，因此使用了12 MHz的高精度晶振[5]。當(dāng)單片機(jī)的外部處于中斷，接收不到信號(hào)需要重新申請(qǐng)連接時(shí)應(yīng)接入單片機(jī)的P3.2端口。單片機(jī)控制電路的具體情況如圖3所示。

圖3 單片機(jī)控制電路

2.3 顯示電路模塊

本文設(shè)計(jì)使用的顯示電路液晶顯示模塊的型號(hào)為OCMJ12232C_3。其中型號(hào)為OCMJ12232C_3的液晶顯示模塊的15腳接地為按位數(shù)發(fā)送的串口通信方式。主要內(nèi)容為車外的溫度和倒車時(shí)距障礙物的距離兩部分構(gòu)成，其液晶顯示屏上主要分成兩行進(jìn)行展示，第一行展示的是倒車時(shí)車體與障礙物之間的距離，其主要的單位為cm。第二行展示的是車外的溫度，其主要的單位為℃。

2.4 報(bào)警電路模塊

為了減少倒車事故的發(fā)生，車輛安裝了報(bào)警電路模塊，汽車掛入倒擋開始倒車后，當(dāng)車體與障礙物之間到達(dá)了所設(shè)定好的危險(xiǎn)距離時(shí)報(bào)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)響起，以此提醒司機(jī)應(yīng)注意車體與障礙物之間的距離，根據(jù)實(shí)際具體的情況進(jìn)行自主掌控，減少意外的發(fā)生。當(dāng)車體與障礙物之間的距離未到達(dá)所設(shè)定好的危險(xiǎn)距離時(shí)報(bào)警系統(tǒng)不會(huì)響起以免影響正常的倒車操作。報(bào)警電路的主要構(gòu)成為一個(gè)發(fā)光二極管、一個(gè)蜂鳴器以及一些固定的外部電路。當(dāng)單片機(jī)PA8口輸出較低的電率時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警操作，發(fā)光二極管和蜂鳴器將會(huì)同時(shí)運(yùn)行，以此達(dá)到警示駕駛員注意距離的目的，有關(guān)報(bào)警的電路模塊如圖4所示。

圖4 報(bào)警電路模塊

3 以單片機(jī)為運(yùn)行主體的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用了單一化和整體化2種結(jié)構(gòu)類型，此設(shè)計(jì)主要運(yùn)用C語(yǔ)言程序進(jìn)行內(nèi)容的編寫，設(shè)計(jì)上由4方面構(gòu)成，它們分別為主體部分設(shè)計(jì)、超聲波的發(fā)送以及接收設(shè)計(jì)、報(bào)警預(yù)警設(shè)計(jì)、LED的內(nèi)容顯示設(shè)計(jì)。其主體部分的設(shè)計(jì)流程如圖5所示[6]。

圖5 以單片機(jī)為運(yùn)行主體的雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

其總體的設(shè)計(jì)思路為當(dāng)汽車掛上倒擋后，整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行，自動(dòng)對(duì)定時(shí)器、中斷系統(tǒng)等各種裝置進(jìn)行調(diào)試操作，待單片機(jī)經(jīng)端口發(fā)出40kHz脈沖信號(hào)后，等待信號(hào)中斷，自動(dòng)進(jìn)行超聲波測(cè)距，并顯示測(cè)距結(jié)果，利用測(cè)距結(jié)果進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提醒，完成整套程序。這即為單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)軟件部分的總體思路。

3.1 聲速的溫度補(bǔ)償算法

超聲波速度的傳播與環(huán)境溫度有著極大的關(guān)聯(lián)。為了減少系統(tǒng)的差錯(cuò)，提升運(yùn)行的準(zhǔn)確程度，滿足實(shí)際生活中不同環(huán)境的測(cè)距需要，因此在硬件電路上可以將聲速的溫度補(bǔ)償考慮進(jìn)來(lái)，增加測(cè)量外部環(huán)境溫度的環(huán)節(jié)。單片機(jī)測(cè)量出外部的實(shí)際溫度，再算出超聲波傳播的速度，由聲速的溫度補(bǔ)償算法C=331.4 + 0.61t進(jìn)行系統(tǒng)的分析，在不需要其他設(shè)備成本的基礎(chǔ)上，推算出測(cè)量值與實(shí)際值之間的關(guān)系規(guī)律等，再對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行操作處理減少測(cè)量值與實(shí)際值之間的差距，使數(shù)據(jù)趨于合理，以此提升測(cè)量的精準(zhǔn)度和運(yùn)行的穩(wěn)定度。其聲速的溫度補(bǔ)償算法中的t為環(huán)境溫度。

3.2 超聲波在發(fā)射與接收方面的相關(guān)軟件

整個(gè)設(shè)計(jì)所采用的超聲波發(fā)送軟件為型號(hào)CSB40T的系統(tǒng)，所采用的接收軟件為與發(fā)送軟件適配的CSB40R系統(tǒng)，超聲波的發(fā)送以及接收軟件在測(cè)量車體與障礙物之間的距離、向外界發(fā)送信號(hào)進(jìn)行通信以及定向操作上都有著不可估量的作用，它對(duì)外界發(fā)揮的作用都是極大的。整個(gè)系統(tǒng)的第一腳外接L1，發(fā)送電路以及接收電路等方面的運(yùn)行頻率主要由C1決定，它的運(yùn)行頻率為f0=1/(2×√L1C1)，通過變電感 L1電容 C1的值可以使超聲波信號(hào)的固定值40 kHz進(jìn)行改變。發(fā)送以及接收電路的狀態(tài)由具體操作可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)CSB40T的8腳為高電平的情況下，CSB40R屬于發(fā)射狀態(tài)。當(dāng)CSB40T的8腳為低電平的情況下，CSB40R屬于接收狀態(tài)。其中重要的方面是當(dāng)單片機(jī)與整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí)要進(jìn)行5-12 V電平的轉(zhuǎn)換，當(dāng)型號(hào)為CSB40T進(jìn)行發(fā)射操作時(shí)，變感器以及電路的運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)換為振蕩操作，經(jīng)振蕩操作過后的信號(hào)進(jìn)行輸出，并由此驅(qū)動(dòng)放大后從13腳輸出經(jīng)由6腳輸出，其中3腳與6腳之間所纏繞的變換器的匝數(shù)與超聲波傳感器的阻抗有關(guān)，超聲波的接收軟件通常將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)電容耦合后利用4腳接入，在經(jīng)過放大操作后與1腳的回路形成的信號(hào)共同放進(jìn)檢測(cè)器中。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到超聲波有回波信號(hào)時(shí)，CSB40T接入的14腳將轉(zhuǎn)換為低電平，單片機(jī)的計(jì)步程序也將停止運(yùn)行。以上為超聲波的發(fā)送以及接收的軟件。

3.3 語(yǔ)音報(bào)警程序

LED顯示電路的作用為顯示距離的大小，它主要使用2位的LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度極高，可以精確到0.1m。語(yǔ)音報(bào)警程序主要利用語(yǔ)音播放模塊來(lái)進(jìn)行人聲語(yǔ)音報(bào)警，主要在以下4種情況下進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。第一種為超聲波探頭檢測(cè)到車體離障礙物的距離小于5m的情況下，語(yǔ)音系統(tǒng)自動(dòng)開啟進(jìn)行播報(bào)，提醒司機(jī)車體與障礙物之間的距離大小。第二種為超聲波探頭檢測(cè)到車體離障礙物的距離小于3m的情況下，語(yǔ)音系統(tǒng)將提醒司機(jī)注意安全且將會(huì)向司機(jī)播報(bào)車體與離障礙物之間的距離。第三種為測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛本身與障礙物的距離小于1.5m，在此種情形下，語(yǔ)音系統(tǒng)將提示司機(jī)車體離障礙物的距離并告知已經(jīng)達(dá)到危險(xiǎn)距離，應(yīng)小心進(jìn)行操作，防止意外的發(fā)生。第四種為檢測(cè)系統(tǒng)在預(yù)知整體的距離小于0.3m的情況下，語(yǔ)音系統(tǒng)將不會(huì)告知司機(jī)離障礙物的距離，而是不斷播報(bào)停車提醒，以引起司機(jī)的注意并進(jìn)行立即停車操作，語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的程序選用來(lái)自華邦公司的型號(hào)為ISD2560的芯片，它可以利用說(shuō)明書上的方法根據(jù)實(shí)際使用的需要來(lái)進(jìn)行錄收音的設(shè)置，并利用語(yǔ)音的更改來(lái)錄入需要的報(bào)警提醒，使用單片機(jī)的主程序?qū)Ω暮蟮恼Z(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)處理，將放音地址與實(shí)際需求地址適配，以此來(lái)告知司機(jī)達(dá)到預(yù)警效果。

4 系統(tǒng)技術(shù)測(cè)試

倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)整套操作進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，以此驗(yàn)證此設(shè)計(jì)是否具有可操作性和實(shí)用性。在操作時(shí)需要利用Proteus以及KEIL軟件來(lái)仿真處理，仿真處理后進(jìn)行實(shí)物仿照，仿照后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試場(chǎng)地應(yīng)選用較為空曠的地域，將汽車掛上倒擋，進(jìn)行倒車操作，利用汽車倒車?yán)走_(dá)測(cè)距逐漸接近障礙物，注意是否能夠滿足設(shè)計(jì)需求[7]。測(cè)試具體結(jié)果及其距離大小如表1所示。

表1 雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)能夠滿足此設(shè)計(jì)的需求，測(cè)試時(shí)能夠準(zhǔn)確地反映車體離障礙物之間的距離大小，語(yǔ)音預(yù)警時(shí)間合理，可以給司機(jī)充足的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 總結(jié)

本文的設(shè)計(jì)主要由倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的硬件和軟件兩方面構(gòu)成，利用了超聲波和聲速的溫度補(bǔ)償算法來(lái)進(jìn)行測(cè)距，利用了語(yǔ)音報(bào)警程序來(lái)提示司機(jī)注意車體與障礙物之間的距離，其整套設(shè)計(jì)可操作性和實(shí)時(shí)性強(qiáng)，在內(nèi)容上具有延展性，出錯(cuò)率低，系統(tǒng)的成本也較低，測(cè)量精度高，反應(yīng)靈敏迅速，能夠滿足使用者的實(shí)際需要。從系統(tǒng)自身的角度來(lái)看，整套操作簡(jiǎn)單，便于司機(jī)進(jìn)行倒車操作，對(duì)于汽車技術(shù)的發(fā)展具有很強(qiáng)的推動(dòng)作用。從經(jīng)濟(jì)日趨發(fā)展的角度來(lái)看，這套設(shè)計(jì)能夠滿足使用者的需求。因此該系統(tǒng)具有一定應(yīng)用價(jià)值，能夠推動(dòng)整個(gè)汽車行業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。