基于單片機(jī)的倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)研究

付 銳

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車成為每個(gè)家庭的必需品。 同時(shí)，由于汽車倒車而產(chǎn)生的交通事故的數(shù)量也日趨增多， 新手司機(jī)的不熟悉操作、車位的窄小、倒車時(shí)人無法目測到車尾的障礙物等都進(jìn)一步加劇了倒車的困難度。 針對倒車存在的問題，設(shè)計(jì)一種整體結(jié)構(gòu)簡單、反響速度快、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、小型化的汽車倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)。 當(dāng)障礙物與汽車之間的距離小于安全距離發(fā)出警報(bào)[1]，解除泊車、窄道行駛、不熟悉操作等因素引起的困擾，提高駕駛的舒適性與安全性，同時(shí)為無人駕駛的研究奠定基礎(chǔ)。

1 超聲波測距原理

超聲波是指發(fā)射頻率大于20 kHz 的波，可通過接收器接收超聲波的時(shí)間差來測定。 即在超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波時(shí)開始計(jì)時(shí)， 經(jīng)空氣傳播時(shí)遇到障礙物返回， 超聲波接收器收到反射回波時(shí)立即停止計(jì)時(shí)， 超聲波發(fā)射和接收之間存在一定的時(shí)間差[2]。根據(jù)公式S=(C*T)/2 可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物的距離。 其中超聲波在空氣中的傳播速度C=340 m/s，t 是時(shí)間差。

由于超聲波穿透能力強(qiáng)，方向性好，能量消耗慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)， 并且超聲波檢測比較迅速、便捷、易于控制，測量精度高，滿足不同領(lǐng)域的實(shí)用需求[3]；同時(shí)，超聲波傳感器的價(jià)格及環(huán)境適應(yīng)性較好，因此，超聲波經(jīng)常被用在需要近距離測量的領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想，硬件電路部分主要包括電源模塊、單片機(jī)控制模塊、超聲測距模塊、顯示模塊及報(bào)警模塊。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)是以單片機(jī)作為主控制器，通過單片機(jī)編程產(chǎn)生的40 kHz 矩形脈沖串加到超聲波發(fā)射電路，當(dāng)超聲波發(fā)射時(shí)看門狗定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，發(fā)射的超聲波遇障礙物時(shí)發(fā)生反射，反射的回波經(jīng)超聲波傳感器的聲/電轉(zhuǎn)換，變成微弱的電信號，再經(jīng)濾波、放大、整形輸入到單片機(jī)的外部中斷口產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)停止，測出超聲波從發(fā)射脈沖串到接收到回波信號的時(shí)間差[4]，根據(jù)公式S=(C*T)/2，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離，最后通過4 路共陰極的八段數(shù)碼管顯示出來。 當(dāng)距離小于預(yù)先設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)，單片機(jī)接通報(bào)警模塊電源，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。 硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 單片機(jī)主控部分設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其作用是產(chǎn)生40 kHz 的矩形脈沖串、形成必要的時(shí)序、控制數(shù)碼管的顯示，及對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

本文設(shè)計(jì)的倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)核心控制單元采用ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 單片機(jī)， 該單片機(jī)是一種低功耗、高性能的8 位CMOS 微控制器，片內(nèi)含4 kBytes 快閃可編程/擦除只讀存儲器， 內(nèi)部集成看門狗定時(shí)器，具有較快的計(jì)算速度，指令系統(tǒng)和引腳與標(biāo)準(zhǔn)8051 完全兼容，其在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性好，只需要4～5 V 的工作電壓，支持在線編程ISP，方便調(diào)試，可以適應(yīng)不同產(chǎn)品需求。

2.2 超聲波發(fā)射模塊電路

超聲波發(fā)射模塊主要是用于接收與處理超聲波回波信號。 其硬件電路主要包括超聲波產(chǎn)生及超聲波發(fā)射電路。 其中，超聲波探頭選用中心頻率為40 kHZ的TCT40-16T 超聲波傳感器。

本系統(tǒng)利用軟件產(chǎn)生40 kHz 的方波信號， 由單片機(jī)P1.0 端口輸出。 兩路方波信號分別經(jīng)過反向器（74LS04 芯片）、兩級反向器送到超聲波傳感器的兩個(gè)電極，用以增強(qiáng)超聲波的發(fā)射強(qiáng)度，以此驅(qū)動傳感器TCT40-16T 發(fā)射超聲波。 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3 所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2.3 超聲波接收模塊電路

超聲波接收模塊主要是用于接收與處理超聲波回波信號。 由于超聲波在空氣中傳播能量與傳輸距離成反比， 從遠(yuǎn)距離障礙物反射回來的波信號較弱，因此，在設(shè)計(jì)超聲波接收電路時(shí)，選用結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)試的集成電路CX20106A，該電路具有放大倍數(shù)大、靈敏度高、濾波特性好的特性，能夠完成回波信號的放大、濾波整形等功能，使回波易于檢測。 超聲波接收電路原理圖如圖4 所示。

圖4 超聲波接收電路

2.4 顯示報(bào)警模塊

顯示報(bào)警模塊主要是將測距的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過在輸出電路上的蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，以提醒駕駛員注意倒車情況。

2.5 電源電路

電源模塊主要作用是給整個(gè)系統(tǒng)電路提供工作電壓，使各個(gè)模塊能夠正常運(yùn)行。 由于當(dāng)前汽車車載輸出電壓為5 V,因此，在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，根據(jù)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)要求，選用5 V 的電池盒供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想[5]，通過C 語言對各個(gè)功能模塊的程序分別編程，方便后續(xù)移植和調(diào)用，也有利于軟件的調(diào)試和修改。

本系統(tǒng)軟件部分將程序分為主程序、 初始化模塊子程序、定時(shí)中斷模塊子程序、外部中斷模塊子程序、延遲處理模塊子程序，數(shù)據(jù)處理模塊子程序。 通過主程序調(diào)用各模塊子程序。 主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖

開始通過將單片機(jī)定時(shí)器初始化，產(chǎn)生脈沖串驅(qū)動超聲波，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，通過延時(shí)處理模塊檢測到超聲波的來回，再由外部中斷模塊測出其時(shí)刻差，進(jìn)而由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)離障礙物的距離，最后由顯示模塊顯示。 當(dāng)距離小于預(yù)先設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用AT89S51 為控制單元的超聲波測距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲測距、蜂鳴器報(bào)警以及數(shù)碼顯示功能。該系統(tǒng)的運(yùn)用可極大地減輕駕駛?cè)藛T的體力、腦力勞動強(qiáng)度，降低倒車難度，減少倒車碰撞事故，具有重大的應(yīng)用價(jià)值和重要的研究意義。