智能汽車防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)開發(fā)

摘 要：設(shè)計(jì)并開發(fā)了應(yīng)用于汽車的防撞系統(tǒng)?；诔暡ㄔ恚雷蚕到y(tǒng)通過發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，測算出時(shí)間差，再利用控制系統(tǒng)換算成距離，判斷處理。該系統(tǒng)采用發(fā)生器電路、換能器、線性功率放大器。另外，系統(tǒng)采取了三個(gè)防干擾措施。由于防干擾措施的實(shí)施，使系統(tǒng)能在工業(yè)現(xiàn)場中有較小的穩(wěn)態(tài)誤差，有效防止了碰撞事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波測距；汽車防撞雷達(dá)；軟件系統(tǒng)

0 引 言
    汽車防撞報(bào)警器的核心部件是汽車防撞雷達(dá)。汽車防撞雷達(dá)(俗稱電子眼)之所以能實(shí)現(xiàn)防撞報(bào)警功能，主要有超聲波這把無形尺子，它測量最近障礙物的距離，并告知車主。超聲測距原理簡單：它發(fā)射超聲波并接收反射回波，通過單片機(jī)計(jì)數(shù)器獲得兩者時(shí)間差t，利用公式S=Ct／2計(jì)算距離(S為汽車與障礙物之間的距離；C為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，C=331．4(1+θ／273)；θ為攝氏溫度。本文介紹的超聲測距系統(tǒng)共有4只超聲波換能器(俗稱探頭)，分別布置在汽車的前左、前右、后左、后右4個(gè)位置上。能檢測前進(jìn)和倒車方向障礙物的距離，通過后視鏡內(nèi)置的顯示單元顯示距離和方位，發(fā)出一定的聲響，起報(bào)警防撞作用。

1 天車防撞報(bào)警儀的總體方案設(shè)計(jì)
1．1 防撞報(bào)警儀的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
    (1)報(bào)警距離：5～30 m，根據(jù)用戶的具體需要連續(xù)可調(diào)；
    (2)根據(jù)用戶的需要選用分檔：0．6 m，1．0 m，1．5 m，1.8m，2．4 m；
    (3)電源：車載電瓶12 V；
    (4)環(huán)境溫度：-20～+70℃；
    (5)報(bào)警器尺寸：155 mm×155 mm×63 mm，重量：3．5 kg。
1．2 系統(tǒng)總體方案
    汽車防撞報(bào)警儀采用由AT89C52單片機(jī)為核心組成的微機(jī)系統(tǒng)，對(duì)儀器進(jìn)行控制，其硬件系統(tǒng)如圖1所示。

1．3 工作原理
    本防撞裝置利用聲波作為檢測波，利用超聲波作為機(jī)械波，其頻率為20 kHz～20 MHz。隨著頻率的增加，檢測距離減小，使用頻率在15～40 kHz之間，檢測距離為0．5～3．0 m，由發(fā)射器、接收器、控制器和反射板組成。發(fā)射器、接收器和控制器安裝在防撞主體(指由產(chǎn)品控制能實(shí)現(xiàn)防撞功能的汽車面板)上。發(fā)射器發(fā)出檢測波，經(jīng)反射面反射給接收器，通過判斷處理后，發(fā)送控制器執(zhí)行規(guī)定的功能?；趩纹瑱C(jī)的天車防撞系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)和專用芯片測量超聲波發(fā)射到反射回所需的時(shí)間t，由S=vt(v=314 m／s，計(jì)算時(shí)加入溫度補(bǔ)償)得到從聲波發(fā)射到反射面的距離。此距離隨時(shí)顯示在汽車駕駛室內(nèi)，軟件可以設(shè)置幾級(jí)提示和報(bào)警，當(dāng)車障之間距離小于安全距離時(shí)，設(shè)置在駕駛室的聲光報(bào)警儀即發(fā)出聲光信號(hào)，通知駕駛員謹(jǐn)慎操作，從而有效地防止碰撞事故發(fā)生，保證人身及設(shè)備的安全。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 固有頻率正反饋發(fā)生器電路
    在硬件電路結(jié)構(gòu)上，很重要的一點(diǎn)是保證超聲波發(fā)射頻率與換能器固有頻率的一致和穩(wěn)定，不隨時(shí)間或因溫度而漂移，同時(shí)也有利于超聲波換能器發(fā)射能量的轉(zhuǎn)換。為達(dá)到這個(gè)目的，固有頻率正反饋發(fā)生器電路是措施之一。
2．2 換能器
    只使用一個(gè)換能器也有利于達(dá)到這個(gè)目的，因?yàn)榉瓷浠氐穆暡ň褪撬旧戆l(fā)射的聲波，共振頻率相同，壓電效應(yīng)最佳。從電路結(jié)構(gòu)講，發(fā)射與接收切換器，使得一個(gè)換能器起到發(fā)射與接收的兩個(gè)作用。
2．3 線性電路
    線性電路包括前置放大、噪音過濾、線性放大、整形電路。將微弱的聲發(fā)射和接收信號(hào)進(jìn)行處理，使之能與單片機(jī)部分的后續(xù)電路相匹配。
2．4 微機(jī)處理器(主AT89C52)
    通過軟件編程，使之能控制系統(tǒng)的正常工作。具體功能如下：聲發(fā)射控制、報(bào)警距離級(jí)別選擇、聲光語音報(bào)警、車位距離顯示、汽車和串口中斷傳送數(shù)據(jù)。
2．5 顯示部分
    顯示部分由從AT89C52和LED數(shù)碼管組成，能將主AT89C52傳過來的信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)傳送給位于駕駛室的從AT89C52的串口，再點(diǎn)亮LED數(shù)碼管，起提示作用。
    以上電路(除位于駕駛室的顯示部分外)采用集成電路芯片，使之結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠。對(duì)超聲波進(jìn)行編碼和解碼，能完全克服各類頻譜的汽車光源和自然光源的干擾。因帶有單片機(jī)電路結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)必須保證抗干擾，故在本儀器中，電源電路和相應(yīng)的抗干擾電路是不可少的，軟件程序編寫也要與硬件配合，同時(shí)解決抗電磁干擾問題。既然是利用聲波測量距離，就要考慮使用現(xiàn)場的聲波環(huán)境，因?yàn)樗鼈兺瑯幽鼙怀暡〒Q能器接收到。用于測量距離的超聲波換能器的固有頻率一般都在15～40 kHz，而路面的噪音頻率是十分豐富的，它們中的聲譜頻率有與使用的換能器的固有頻率相同的部分，則干擾回波測量。因此，在硬件電路上要解決這個(gè)問題，同時(shí)在軟件程序的編制上也要有抗干擾部分。報(bào)警距離級(jí)別選擇是為了用戶在不修改程序的情況下，根據(jù)用戶自己的意愿來選擇。

3 軟件設(shè)計(jì)
    為了達(dá)到前述儀器的主要功能，程序采用C51的功能模塊逐一實(shí)現(xiàn)。程序分為主程序(chret．c)和另外三個(gè)模塊文件，即display．c，eraseint．a(chǎn)51，transplant．c。
3．1 主程序
    主程序框圖如圖2所示。

    本程序?qū)ぷ鬟^程分了8個(gè)狀態(tài)：準(zhǔn)備狀態(tài)(t0～t1)、發(fā)射超聲波(t1～t2)、不接收信號(hào)時(shí)間(t2～t3)、等待聲波反射時(shí)間(t3～t4)、測反射的個(gè)數(shù)(t4～t5)、不計(jì)反射波個(gè)數(shù)，間歇一段時(shí)間(t5～t6)、再測波的個(gè)數(shù)(t6～t7)、間歇時(shí)間(t7～t0)。為測得超聲波收發(fā)時(shí)間差t，換算成距離s和判斷是否報(bào)警，程序中使用了兩個(gè)函數(shù)：
    一個(gè)是void t0Interrupt(void)interTupt：1 using 1，它是t0計(jì)時(shí)中斷函數(shù)，通過switch語句處理由工作過程分成的8種狀態(tài)。
    另外一個(gè)是函數(shù)void intInterrupt(void)interrupt2 using 2，它處理反射回來的輸入信號(hào)，發(fā)生在t3～r4階段，主要是由int1外部中斷來得出時(shí)間distanceIn-time，并啟動(dòng)T1計(jì)數(shù)器，它用來計(jì)算反射波個(gè)數(shù)。
    通過以上兩個(gè)函數(shù)可獲得t，后面轉(zhuǎn)換成s和判斷是否報(bào)警便迎刃而解。Chret．c的函數(shù)組成：

    
    主程序?qū)垢蓴_采取了3個(gè)措施(防止誤報(bào)警)：
    (1)t4～t5狀態(tài)，給反射回來的波定個(gè)窗口，對(duì)于高于33．3 Hz或小于11．1 Hz的波不計(jì)數(shù)；
    (2)t6～t7狀態(tài)，通過測10 ms來判斷：若是干擾在此時(shí)能測到；若是正常反射，此時(shí)應(yīng)根本測不到波；
    (3)對(duì)報(bào)警判斷兩次(1．3 s會(huì)自動(dòng)清0一次)。
3．2 串口通信模塊——transplant．c
    主要將主AT89C52的程序中chDis準(zhǔn)確無誤傳給顯示部分(位于駕駛室)，設(shè)計(jì)一個(gè)通信協(xié)議，以保證不收亂碼，即在chDis這個(gè)數(shù)據(jù)前面添加一個(gè)報(bào)頭數(shù)據(jù)Head，而后面添加一個(gè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)check，這樣顯示部分就只在Head出現(xiàn)時(shí)才接收，且檢驗(yàn)正確才顯示。由于測t時(shí)，程序的時(shí)序已經(jīng)固定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行串口通信，就只能夠采用中斷方式，而不能采用查詢方式，否則將出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。
    對(duì)于display．c，eraseint．a(chǎn)51這兩個(gè)模塊，在主程序中調(diào)用即可，功能單一：一個(gè)用來顯示數(shù)據(jù)；一個(gè)用來執(zhí)行iret指令。

4 結(jié) 語
    本文設(shè)計(jì)的防撞裝置在結(jié)構(gòu)上采用微電腦技術(shù)和專用芯片設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡單，小型化的特點(diǎn)，非常適合用于測控系統(tǒng)；在軟件設(shè)計(jì)上，突出模塊的靈活性，并且C51語言簡潔，大大簡化了編寫程序的工作量。比較現(xiàn)在市場上已有的汽車防撞器，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，可靠性好，通信能力強(qiáng)，能有效地避免汽車相撞事故的發(fā)生，具有一定的市場價(jià)值。