基于超聲波的分布式車輛視野盲區消除裝置設計

孟美含，趙存睿，劉 鵬

（泰山科技學院 智能工程學院，山東 泰安 271000）

0 引言

據世界衛生組織（WHO）統計，2022 年全球因交通事故引發傷亡人數至少160 萬人。其中，約50 萬人因車輛視野盲區問題造成事故[1]。因此，為更好地保護生命財產安全，減少車輛視野盲區成為當前急需研究解決的重要內容。

車輛視野盲區是因車輛固有結構導致駕駛員車內視野受到引擎蓋、后備箱、車柱等遮擋，從而出現無法觀測區域。其存在問題短時間內不易改變，但可以通過技術手段使駕駛員獲得盲區內信息，從而達到消除視野盲區的效果[2-6]。但目前有關視野盲區消除的產品普遍存在有效范圍小、使用場景有限及產品價格高昂等問題[7-10]。

針對以上問題，本文設計一種以單片機為控制核心，利用超聲波的優異特性，通過分布式安裝多個超聲波監測單元對盲區進行無死角覆蓋，實現多維度車周環繞的視野盲區消除并具有報警功能的裝置。

1 裝置總體設計與工作流程

本文設計的分布式車輛盲區消除裝置以AT89C52單片機為核心，控制監測模塊與上位機模塊兩部分。實現盲區障礙物距離監測與遠程報警控制功能。裝置系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框架

該裝置的監測模塊由一個可覆蓋約15°～30°的視野區域的超聲波單元、AT89C52 單片機核心、nRF24L01 從端組成。上位機模塊由AT89C52 單片機、nRF24L01 主端、PC 顯示屏、蜂鳴報警器與燈光報警器組成。裝置總電路原理如圖2 所示。

圖2 裝置電路原理

當裝置啟動后，監測模塊與上位機模塊的nRF24L01 開始建立無線通訊，通訊成功后，監測模塊AT89C52 單片機激勵超聲波單元發出超聲波信號。超聲波監測范圍內出現的障礙物時會反射超聲波形成回波，超聲波單元接收回波信號后，經過濾電路與放大電路將超聲波傳播時間輸入單片機，單片機通過公式計算得到障礙物距離，對比如表1 的程序預設危險分級表確定障礙物危險等級，確定控制指令。

表1 安全等級劃分

在確定控制指令后后，將結果通過nRF24L01 從端無線傳輸至上位機模塊nRF24L01 主端。接收后輸入上位機AT89C52 單片機。根據輸入指令，單片機驅動語音、蜂鳴器、LED 燈進行報警，提醒駕駛員障礙物接近，注意安全。

2 裝置硬件設計

2.1 AT89C52 單片機模塊設計

本裝置使用兩個AT89C52 型8 位低功耗高性能單片機作為控制核心。該單片機采用標準C51 內核/具備8K 可用于系統內編程FLASH 存儲器，時鐘頻率0Hz～24 MHz，32 個可編程I/O 口線，3 個16 位定時/計數器，2 個可編程URAT 串行通道，支持低功耗空閑與掉電保護。

該裝置由單片機XTAL1 與XTAL2 引腳外接12 MHz 晶振電路，RST 引腳外接復位電路，組成單片機最小系統。其中監測模塊P0.0 接HC-SR04 Trig 引腳，P0.1 接Echo 引腳，用于激勵超聲波單元與接收回波時間數據。上位機模塊通過RS-232 總線通訊與單片機或觸摸屏連接。

2.2 超聲波模塊設計

超聲波一般指頻率超過20 kHz，不在人類聽覺范圍內的一種彈性機械振動波，依靠介質進行傳播。與人的可聽聲相比，超聲波在接觸不同介質分界時會產生顯著反射，根據此原理可進行超聲波測距。如圖3 測距原理圖所示。

圖3 超聲波測距原理

除超聲波外，目前市場主流測距傳感器還包括激光、紅外線、CCD 電荷耦合等。各傳感器性能有較大區別，主要性能對比如表2 所示。

表2 傳感器性能對比

由表2 可知，超聲波受色彩、外部光線、環境影響較小，技術難度與成本也相對較低。在灰塵、夜間、霧霾等特殊環境下測量結果均有顯著優勢。除此之外，超聲波傳播速度穩定，能實現非接觸式無損測量，具有高分辨率與強指向性，低衍射性與強穿透性等優點。非常適合車輛盲區監測對準確度、覆蓋率、有效距離、安全性的需求。

由于超聲波的測量精度與指向性有關，波束寬度又是指向性的展現，該數值越小則指向性越好。因此根據公式（1）所示，可以通過改變頻率等提高指向性。

式中：c代表超聲波傳播速度；R代表聲波發射源直徑；f代表聲波頻率。

由式（1）可知，當頻率越高指向性將越好，但過高頻有聲波衰減問題。因此在實際應用中需要選擇合適頻率以保證指向性與衰減性的平衡。經式（1）計算與考慮實際應用環境，本裝置選擇40 kHz 作為使用頻率，選擇HC-SR04 一體型超聲波測距模塊作為裝置的超聲波單元。其主要電氣參數見表3。

表3 超聲波測距模塊電氣參數

HC-SR04 體積小巧，簡單易用，廣泛應用于避障、測距、液位監測等領域，檢測精度最高可達3 mm。其引腳電路如圖4 所示。

圖4 HC-SR04 引腳電路

其中：VCC 接+5 V 電源；GND 為接地端；Trig 為觸發端；Echo 為回應端。

在使用過程中，Trig 接入單片機P1.0 引腳，Echo接入單片機P1.1 引腳。當通過I/O 口向Trig 輸入至少10 μs 高電平信號后，模塊便可自動發射8 個40 kHz方波，同時Echo 將保持高電平直至檢測到返回信號。Echo 高電平持續時間即為超聲波傳播時間t，通過公式（2）：

式中：L代表探頭間距；D代表超聲波傳播速度；t代表超聲波傳播時間。

通過上式進行計算，即可得到超聲波傳播距離，用于后續危險分級計算。

2.3 無線通訊模塊設計

本設計選用nRF24L01 型無線射頻收發器，運行頻率2.4～2.5 GHz，使用ISM 頻段。融合增強型ShockBurst 技術，可通過內部程序配置通訊頻段與輸出功率。

運用其多對一通訊與點到多點通訊地址控制功能。將上位機模塊nRF24L01 設置為PRX 主接收模式，各監測模塊nRF24L01 設置為PTX 主發射模式。連接單片機并配置CE、CSN、IRQ 引腳和SCK、MOSI、MISO 引腳的SPI 配置。在設置過程中，需要特別注意TX_PLOAD_WIDTH 和RX_PLOAD_WIDTH 在主從端的代碼宏定義值是否相等。

2.4 顯示報警模塊設計

上位機顯示報警模塊包含LCD 顯示屏，語音模塊，蜂鳴器與燈光模塊。顯示屏選擇INNOLUX WES07 型LCD 顯示屏。顯示屏大小為7 英寸，支持觸摸控制，用于顯示監測區域與報警信息。語音報警模塊選用ISD1820 型語音模塊。支持最大20 s 單次錄制時長與外接SD 卡存儲。報警模塊采用5 V 蜂鳴器與LED 燈，其電路如圖5 所示。

圖5 蜂鳴器電路原理

3 系統軟件設計

本設計采用C 語言完成單片機編程任務。實現監測模塊超聲波測距、障礙物距離計算、危險分級功能與上位機模塊報警控制、上位機顯示功能。其中監測模塊軟件任務流程如圖6 所示。

圖6 監測模塊任務流程

上位機模塊軟件任務流程如圖7 所示。

圖7 上位機模塊任務流程

4 系統仿真

本裝置采用Proteus 軟件進行仿真，使用LCD1602液晶屏代替上位機屏幕，由于軟件限制，HC-SR04 最大模擬距離為2.9M，仿真中通過控制滑動變阻器模擬HC-SR04 監測距離改變。

搭建完成后，向監測模塊與上位機模塊單片機分別燒錄hex 程序，部分程序如圖8 至10 所示。

圖8 顯示初始化程序

圖9 中斷入口函數程序

圖10 超聲波測距程序

調節HC-SR04 滑動變阻器，模擬障礙物距離的改變，觀察輸出端液晶屏顯示數據與報警系統響應，實驗結果如表4 所示。

表4 仿真實驗結果

5 結語

為消除車輛視野盲區的存在，本文設計一種以AT89C52 單片機為核心的裝置，該裝置利用多個分布安裝的超聲波測模塊檢測障礙物，按照距離劃分安全等級，然后通過無線通訊實現上位機控制多重報警。在具體應用方面，本設計整體構型簡單、功能合理、性價比高，可根據需求不同換裝不同規格超聲波模塊進一步提升檢測性能。