基于單片機(jī)的車輛倒車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙宗坤

（武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北武漢，430065）

0 引言

隨著人民生活水平的提高，人民群眾擁有私家汽車的數(shù)量逐年增多。但司機(jī)在駕車行駛過程中，發(fā)生碰碰撞撞在所難免，為了保障行車的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一款汽車倒車防撞系統(tǒng)。而超聲波測距相較于其他的非接觸式測距而言，有著一定的優(yōu)勢，如電磁會受到電磁的干擾，光線會受到陽光和霧霾的影響。這些對超聲波來說都不具有影響，對各種惡劣的環(huán)境都有一定的適應(yīng)能力。目前我國的非接觸式測距儀常采用超聲波、激光和雷達(dá)，紅外線等。相比超聲波，制作雷達(dá)或激光測距儀的成本過高，還有紅外線測距儀的測距距離又偏短。因此，以超聲波作為測距工具已越來越受到我國的關(guān)注，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣，包括機(jī)器人行走，自動導(dǎo)航，水位監(jiān)測等。隨著自動駕駛汽車作為如今汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，能夠自動避開障礙的技術(shù)也越來越受到關(guān)注。作為自動駕駛技術(shù)的領(lǐng)跑者，美國特斯拉公司已經(jīng)研發(fā)出一套自動駕駛系統(tǒng)，包括8 個(gè)攝像頭、12 個(gè)超聲波傳感器、一個(gè)雷達(dá)、一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片和大量軟件開發(fā)。其不僅可以使駕駛員在疲勞的時(shí)候放手小憩，而且對于一些非常難停的車位，也能依靠這套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主停車，充分解決了司機(jī)停車難，易剮蹭的倒車難題。而我國雖然在自動駕駛方面的研究落后于國外，但是我國也研發(fā)出了半自動的輔助駕駛系統(tǒng)，如最新上市的寶駿RS-5，其包含77GHz 毫米波雷達(dá)，再加上高清攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)ACC 自適應(yīng)巡航、主動剎車和車道保持等多達(dá)14 項(xiàng)智能駕駛輔助功能。大大提高了汽車在行駛或者倒車過程中的安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了節(jié)約成本，減少外部因素的干擾，本系統(tǒng)在比較各種測距工具后選擇了以超聲波來作為測距工具。

本設(shè)計(jì)主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、液晶LCD顯示器超、聲波模塊、WT588D 語音模塊。

如圖1 所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)在本設(shè)計(jì)中就是控制核心，而汽車在倒車過程中，超聲波一直作為測距工具實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，并且每3 秒自動更新一次，然后單片機(jī)根據(jù)接受到數(shù)據(jù)，以數(shù)字的形式在LCD1602 液晶顯示屏上顯示，然后WT588D 語音模塊把汽車和障礙物之間的距離用語音播報(bào)出來。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 硬件系統(tǒng)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、單片機(jī)和時(shí)鐘電路組成，電路圖如圖2 所示。在單片機(jī)外界加一個(gè)5V 的電源。是因?yàn)閱纹瑱C(jī)工作所需的最多電壓為5.5V,最低的電壓也要4V。單片機(jī)中的VCC 部分要和5V 的正極相連接，VSS 則是接地的一端。確定單片機(jī)的工作是否處于開始狀態(tài)，都得復(fù)位電路來決定。當(dāng)MCU 上電時(shí)，它會產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號，MCU開始確定MCU 的初始工作狀態(tài)。當(dāng)MCU 系統(tǒng)運(yùn)行且程序由于外部環(huán)境的干擾而運(yùn)行時(shí)，復(fù)位按鈕內(nèi)的程序從頭開始自動執(zhí)行。通常，外部按鈕的上電和手動復(fù)位有自動復(fù)位功能。當(dāng)時(shí)鐘電路開始工作，此時(shí)，RESET 端子連續(xù)提供2 個(gè)機(jī)器周期的高電平，MCU 復(fù)位操作就完成了。外部的那個(gè)手動按鈕就是復(fù)位電路的按鈕，需要與上拉電阻連接以增加輸出高電平的值。時(shí)鐘電路就像微控制器的核心，它控制著微控制器的工作節(jié)奏。時(shí)鐘電路同時(shí)也可看作一個(gè)振蕩電路，微控制器收到它所提供的正弦波信號，一次來作為標(biāo)準(zhǔn)，然后來決定執(zhí)行速度是快還是慢。XTAL1 對應(yīng)反相放大器的輸入，而XTAL2 則是對應(yīng)輸出，片內(nèi)振蕩器的配置都是由它們來完成的。在外部時(shí)鐘源被驅(qū)動器件使用的情況下，XTAL2 就不用連接了。由于一個(gè)機(jī)器周期等于6 個(gè)狀態(tài)周期，2 個(gè)振蕩周期又一個(gè)狀態(tài)周期相等，所以一個(gè)機(jī)器周期等于12 個(gè)振蕩周期。假設(shè)一個(gè)振蕩周期的值為1/12us，那么就可以得出外部石英晶體振蕩器的振蕩頻率是12MHz。

2.2 電源電路模塊

電源部分的設(shè)計(jì)由6 節(jié)5 號干電池供電9V，由LM7805穩(wěn)壓器模塊調(diào)節(jié)為5V 電源，為MCU 和每個(gè)模塊供電。該電路由電源開關(guān)，穩(wěn)壓器模塊，電阻器，電容器和發(fā)光二極管組成。該電容器主要用于過濾超聲波和單片機(jī)模塊，以提供穩(wěn)定的電源。具體電路如圖3 所示。

2.3 液晶顯示模塊

為了得到更加清晰和精準(zhǔn)的數(shù)字，選擇采用LCD1602 來作為顯示屏。這樣有利于司機(jī)進(jìn)行判斷。電路如圖4 所示，圖中的液晶的RS、RW、EN 叫做命令操作腳,P1 則是數(shù)據(jù)接口。

圖4 液晶顯示模塊

2.4 超聲波測試模塊

一個(gè)超聲波模塊的組成包括超聲波發(fā)射器，接收器和控制電路。其距離感應(yīng)最遠(yuǎn)為8.88m ，最近為0.04m，采用的是非接觸式的方式，精度保持在3mm 左右?；竟ぷ髟恚菏紫仁荌O端口TRIG被觸發(fā)測距，給出一個(gè)至少10us高電平信號。8 個(gè)40KHZ 方波也會由模塊來自動發(fā)射，自動檢測是否有信號返回；如果有信號返回，IO 口ECHO 就會輸出一個(gè)高電平。高電平持續(xù)的時(shí)間為多久，超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間就是多久。超聲波傳感器有兩個(gè)探頭，一個(gè)負(fù)責(zé)發(fā)射，一個(gè)負(fù)責(zé)接收，這兩個(gè)過程都是由其內(nèi)部的壓電晶片完成的。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 主程序流程圖

如圖5 所示，當(dāng)程序運(yùn)行開始的時(shí)候，單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，然后判斷自動播放按鍵是否按下，如果沒有按下，就要手動按下播放鍵，這時(shí)，超聲波測距儀開始工作，發(fā)送超聲波，在碰到障礙物后返回，然后超聲波測距儀開始計(jì)算與障礙物的距離，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示器上顯示距離，同時(shí)通過語音播報(bào)器告知駕駛員安全距離還有多少，這個(gè)過程每隔3 秒自動更新一次。超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射出聲波，單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器就開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收探頭檢測到信號返回時(shí)，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)的這段時(shí)間就是聲波傳送的時(shí)間，然后根據(jù)公式就可以計(jì)算出汽車與障礙物之間的距離。

圖5 主程序流程設(shè)計(jì)圖

3.2 超聲波程序流程圖

如圖6 所示，當(dāng)程序啟動時(shí)，IO 口觸發(fā)，給Trig 口至少10us 的高電平，超聲波測距儀開始工作。此時(shí)，定時(shí)器0 關(guān)閉，計(jì)數(shù)器清零。信號返回時(shí)，先判斷I/O 口ECH0 是否輸出為高電平，如果不是，則返回重新判斷，如果是，啟動定時(shí)器0，定時(shí)器0 啟動開始計(jì)時(shí),。然后判斷I/O 口ECH0 輸出的是不是低電平，如果不是，返回判斷，如果是，關(guān)閉定時(shí)器0，停止計(jì)時(shí)。由高電平到低電平的這段持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。然后計(jì)算出時(shí)間，重新開始測距。

圖6 超聲波程序設(shè)計(jì)圖

單片機(jī)的編程，設(shè)計(jì)涉及到很多模塊，單片機(jī)模塊、LED液晶顯示模塊、WT588D 語音模塊等，采用C 語言編程，對于超聲波測距，要設(shè)定一個(gè)固定值，是的超聲波能夠一直循環(huán)測距，而不是一次性測距，本系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間為3S，為了對司機(jī)有非常清楚的提示，不僅要在液晶顯示屏上顯示出來，而且還得通過語音播報(bào)進(jìn)行語音提醒，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，要確保到聲波傳回來的時(shí)，要把數(shù)據(jù)用顯示屏和語音播報(bào)同時(shí)提示，確保不會發(fā)生語音播報(bào)后，顯示屏缺沒有數(shù)據(jù)顯示的情況，對于測距，要利用單片機(jī)I/O 口的觸發(fā)，激活超聲波，同時(shí)，確保單片機(jī)定時(shí)器對聲波從發(fā)射到返回這段時(shí)間的記錄，然后通過時(shí)間數(shù)據(jù)來計(jì)算出汽車和障礙物之間的距離。

4 實(shí)物測試

如圖7 所示，為實(shí)物調(diào)試效果示意圖，汽車與障礙物的距離實(shí)時(shí)顯示在LED 顯示器上面，此為超聲波能夠測出的最遠(yuǎn)距離，當(dāng)超出這個(gè)距離的時(shí)候，語音模塊就會發(fā)出“超出量程”的提示，說明已超出超聲波所能測出的距離，但小于這個(gè)距離時(shí)，超聲波重新開始測距，依然是每3 秒更新一次，司機(jī)也能在這個(gè)距離里有操作反饋。

圖7 最遠(yuǎn)距離測試顯示

圖8 最近距離測距顯示

圖中的黃色信號燈為語音模塊的busy 輸出端，當(dāng)它亮?xí)r，表示語音模塊可放音，藍(lán)色按鍵為電源啟動鍵，液晶顯示器下方的黑色按鍵則為復(fù)位按鍵。

右上角像喇叭形狀的就是超聲波傳感器的兩個(gè)探頭，一個(gè)用來發(fā)送超聲波信號，一個(gè)則用來接收，然后數(shù)據(jù)通過液晶顯示器顯示出來，液晶顯示器的數(shù)據(jù)標(biāo)識采用拼音的形式，來提示各個(gè)數(shù)據(jù)所表示的意義。

實(shí)物比較簡便，易于加裝在汽車中，有很好的實(shí)用性，不足的地方在于，揚(yáng)聲器沒有進(jìn)行加固保護(hù)，容易在碰撞出受損，從而導(dǎo)致播出的聲音帶著雜音，極大的影響播出聲音的效果，解決辦法就是將揚(yáng)聲器焊接在電路板上，使其固定，不會在汽車的行駛過程中發(fā)生碰撞而受損。

實(shí)物調(diào)試分別做了超聲波的最遠(yuǎn)距離和最近距離的測試，闡述了在兩種不同的狀態(tài)下，汽車防撞倒車系統(tǒng)會作出怎樣的表現(xiàn)，然后司機(jī)根據(jù)顯示的數(shù)值和播報(bào)的語音來調(diào)整車的位置，避免事故的發(fā)生，該調(diào)試時(shí)人為的用手拿著進(jìn)行的調(diào)試，在汽車上的效果如何，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。

5 小結(jié)

本設(shè)計(jì)研究的倒車防撞系統(tǒng)是基于超聲波測距的。該系統(tǒng)的工作處理器核心是STC89C52 單片機(jī)，超聲波的原理是利用發(fā)射和接收超聲波，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。經(jīng)過單片機(jī)的處理在液晶上顯示距離，并通過語音模塊把當(dāng)前的具體播報(bào)出來。