基于超聲波及單片機技術的交通風險語音警示系統

李金強 毛宏黎（重慶交通大學，重慶 400074）

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基于超聲波及單片機技術的交通風險語音警示系統

李金強 毛宏黎
（重慶交通大學，重慶 400074）

摘 要：汽車是現代日常生活中最主要的交通工具，它帶給人們方便，車輛交通風險也同樣如影隨形。研究表明，大多數事故都是由于人們的反應時間不夠所造成的，努力提高人們的反應時間，增加風險感知并進行警示，有助于提早做出反應。本作品的汽車語音風險警示裝置包含有單片機控制電路、超聲波測距傳感器、語音芯片等，該裝置將各部件有機地結合起來，實現超聲波測距測速及語音報警提示的功能，減少甚至避免事故的發生。

關鍵詞：超聲波；單片機；交通風險；語音測距；相對速度

一、研究背景

目前人們駕駛汽車行駛在道路上，仍然是以肉眼判斷為主，觀察路況，車間以信號燈進行信息傳遞。其次我國的車載道路交通預警系統比較落后，超聲波技術一般只用到了倒車雷達當中，應用的范圍還比較窄。在車輛中，大部分語音警示還是基于GPS的限速和超速提醒。目前汽車倒車雷達主要是具備數碼管或者液晶屏的距離顯示并且帶有蜂鳴器的語音報警為主的汽車安全系統。車上安裝有實時測量車距和前后車輛車速的裝置還很少，大部分汽車都還沒有自己的“眼睛”，而激光測距等設備成本較高，而且目前的報警系統大多是通過液晶數碼管顯示車速或者距離，容易分散駕駛員的注意力，造成很多事故。

二、設計原理

1 設計原理

本作品的汽車語音風險警示裝置包含有單片機控制電路、超聲波測距傳感器、語音芯片等，該裝置將各部件有機地結合起來，通過超聲波的發射與接收，完成對速度的測量，同時單片機工作，完成語音播報的工程。本系統在工作的時候采用的是兩個超聲波探頭分別進行超聲波發射和接收來進行距離和相對速度的測量。本系統能測量前后車的速度和距離，當車距小于5m的時候語音提示實時距離及其相對速度，從而起到提示和報警的作用。本系統利用單片機對超聲波信號循環不斷地進行采集。系統包括超聲波傳感器、單片機控制、語音芯片。這個設計能夠連續測距測速，數據經過單片機的處理后，進行語音播報警示。

1.1 超聲波模塊的選擇

根據本系統的設計要求，應用T/R-40超聲波傳感器到本系統。

超聲波發射過程：發射電路主要由超聲波發射換能器T40和反相器74LS04構成。工作時單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路方波信號經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，采用推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，這樣就可以提高超聲波的發射強度。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻R1、R2一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間，另一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，

超聲波接收過程：超聲波接收電路由兩級放大電路、超聲波傳感器和鎖相環電路組成。由于超聲波傳感器接收到的反射波信號非常微弱，所以兩級放大電路用于對傳感器接收到的信號進行放大。當鎖相環電路接收到頻率符合要求的信號后向單片機發出中斷請求。由于發送的超聲波頻率為40kHz，幫調整相關元件使鎖相環的中心頻率為40kHz，只響應該頻率的信號，避免了其他頻率信號的干擾。當超聲波傳感器接收到超聲波信號后，送入兩級放大器放大，放大后的信號進入鎖相環檢波，如果頻率為40kHz，則從8腳發出低電平中斷請求信號送單片機P3.3端，單片機檢測到低電平后停止定時器的工作。

1.2 單片機的選擇

根據本系統設計的實際要求，選擇AT89S51單片機作為本設計的單片機使用。51系列單片機在硬件結構、指令系統和片內資源等方面與標準的52系列的單片機可以完全兼容。51系列的單片機功耗低，執行速率很快，最高時鐘頻率可以達到90MHz，在應用、在系統都可以編程，不占用用戶的資源。

1.3 語音芯片的選擇

ISD2560語音芯片錄放時間32s～120s，音質較好。該芯片內含振蕩器，采用CMOS技術，具有自動增益控制、話筒前置放大、平滑濾波器、防混淆濾波器、揚聲器驅動及EEPRIM陣列等特點。該語音芯片的采樣頻率為8kHz，相同系列的產品采樣頻率越低，錄放時間越長，但是通頻帶和音質會有所降低。ISD2560可以重復錄放10萬次，它是一種永久記憶型語音錄放電路，ISD2560省去了A/D和D/A轉換器，集成度較高。

1.4 距離、相對速度計算的工作原理

系統對距離、速度進行測量時，由安裝在同一水平線上的超聲波傳感器發射超聲波，遇到障礙物后超聲波被反射回來，被接收器接受，然后通過超聲波反射的時間，確定距離。具體操作首先是由超聲波發射探頭向倒車的方向發射超聲波，與此同時定時器開始工作，記錄時間，超聲波在空氣中傳播的途中只要遇到障礙物后就會被反射回來，當超聲波接收器接收到反射波后就會給負脈沖到單片機使其立刻停止計時。這樣，定時器就能夠準確的記錄下超聲波發射點至所測量的障礙物之間往返傳播所用的時間，通過得到的數據，運用固定的公式算出安全距離，并提示。

1.5 系統C程序設計

主程序首先會對整個系統進行初始化，刪除必要的數據，然后將超聲波的回波接收標志位置位，并且使單片機的某個端口輸出一個低電平用來啟動超聲波發射電路，此時定時器開始工作，同時計算距離的子程序也開始工作，然后再根據定時器記錄的時間計算出所需要測量的相對速度以及距離，再調用聲音處理程序來報警。最后主程序通過對回波信號的接收，完成后續的工作，就這樣，該系統會連續不斷地運行，以兩個測量周期為一個計算單位，計算出相對的速度，然后循環不斷地進行此操作，最終完成對距離、速度的測量。該系統采用的是模塊化設計方法，由超聲波發生子程序、主超聲波程序、距離計算子程序、超聲波接收中斷子程序等程序組成。

2 研究方法

通過查閱資料學習，了解超聲波的物理性質和單片機的基礎知識。其實很多方法都已經被專家們論證過，已經有了一定的成果，可以加以修改后使用。由于筆者能力有限，知識欠缺，只能對要用的知識進行簡單修改和整理，應用到自己的想法當中。通過查閱每一個選用的器件的參數，看其是否符合主流的應用，能不能實現設計的要求。

三、創新特色

本作品基于單片機實現距離和相對速度的提示，將超聲波測距和傳感器聯系在一起，利用單片機的實時控制和數據處理功能測量并提示汽車與障礙物之間的距離和相對于自己行車的速度。這樣駕駛員就能直接判斷汽車之間的距離。本裝置的設計簡易，完善度不高，但規模小，器件少、調試方便，成本也低，器件更換容易，并且不占用駕駛員的視覺空間，可以完全解除駕駛員在倒車過程中的顧慮和困擾，減少事故的發生。

四、應用前景

本作品的汽車交通風險提示系統設計主要是基于AT89C51單片機控制核心，同時是以超聲波測距為主的語音報警系統。通過理論上大致的分析，設計方案基本可行。本系統工作時，通過超聲波傳感器完成對數據的采集，然后單片機開始工作，進行數據的計算以及處理，最后將結果通過語音芯片提示駕駛員。各個器件價格低廉，易于普及。科學技術在不斷的發展，越來越多的超聲波技術會出現在傳感器中，超聲波的應用可以極大的提高精度，而且設計簡單，易于操作，但是目前我國在這方面的技術十分的有限，還不能夠完全的制造超聲波傳感器，在不久的將來，超聲波技術一定會以精確方便的優勢滿足各個行業的應用。本系統欠缺完善度，缺乏修正，忽略了溫度的影響，精確度也比較低，但是作為安全輔助系統，配合以駕駛員的經驗和主觀判斷，還是能夠規避一定程度的風險，有比較廣闊的應用前景的。

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中圖分類號：TP212

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