超聲車距預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種超聲車距預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制技術(shù)和超聲波測距技術(shù)，通過顯示障礙物與汽車的距離并根據(jù)其距離遠(yuǎn)近實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警。該設(shè)計(jì)采用三傳感器接收系統(tǒng)解決了障礙物的二維定位問題，并對(duì)所使用的車距預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。
關(guān)鍵詞：車距預(yù)警；超聲波測距；單片機(jī)控制；二維定位

0 引言
    隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車不再是單純的機(jī)械產(chǎn)品，而是各種科技集中的載體。車距預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)也成為提高汽車智能化的重要內(nèi)容之一。該系統(tǒng)的運(yùn)用可極大地降低倒車難度，避免駕駛員因方向感不強(qiáng)、判斷和操作失誤而引起事故，同時(shí)它將對(duì)提高汽車智能化水平和最終實(shí)現(xiàn)汽車無人駕駛產(chǎn)生積極的意義。
    本文選擇了現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于車距預(yù)警系統(tǒng)中的超聲波測距。超聲波測距的成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，可靠性較高。本設(shè)計(jì)可測量的范圍為0．39～10．3 m，除了基本的超聲波測距電路外，還有測溫電路、車速檢測電路、電源模塊及語音報(bào)警電路。并且，系統(tǒng)采用三接收傳感器的設(shè)計(jì)方案來確定障礙物的空間三維坐標(biāo)位置。本設(shè)計(jì)具有操作簡便、工作穩(wěn)定可靠、檢測速度快和成本低等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無接觸式測量，應(yīng)用廣泛。

1 超聲波測距儀工作原理
    本文的超聲波測距中采用渡越時(shí)間檢測法，發(fā)射器發(fā)射超聲波，經(jīng)過障礙物反射后被接收器接收，測量發(fā)射器發(fā)射和接收器接收超聲波的時(shí)間差為t，同時(shí)，超聲波在空氣中的傳播速度c受環(huán)境溫度τ的影響較大，考慮了環(huán)境溫度對(duì)傳播速度的影響后，距離公式為：
   
    本設(shè)計(jì)選用頻率為40 kHz左右的超聲波，它在空氣中傳播的效率最佳。同時(shí)，超聲波探頭(即超聲波傳感器)采用的是防水型收發(fā)一體式雙晶片壓電振動(dòng)式超聲換能器TCF40-25TR，其中心頻率為(40±1)kHz，恰好適用于本設(shè)計(jì)的超聲波頻率。

2 車距預(yù)警系統(tǒng)的原理分析與硬件設(shè)計(jì)
    在完成超聲波測距的理論分析后，需要將超聲波測距的硬件安裝在車尾，這就需要進(jìn)一步分析和設(shè)計(jì)車距預(yù)警系統(tǒng)。
2．1 車距預(yù)警系統(tǒng)的原理分析
    超聲波測距的目的是為了測得超聲波探頭到障礙物之間的距離，但是超聲波測距系統(tǒng)無法對(duì)障礙物進(jìn)行空間二維甚至是平面二維的定位。為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)提出了三接收傳感器的設(shè)計(jì)方案來確定障礙物的平面二維坐標(biāo)位置。
    若安裝的位置間距不同，三個(gè)接收器探頭接收回來的時(shí)間值是不一樣的。由三個(gè)接收探頭和超聲波反射點(diǎn)可以確定一個(gè)空間四面體的全部邊長參數(shù)，根據(jù)幾何關(guān)系，通過這幾個(gè)邊長參數(shù)，可以求得超聲波反射點(diǎn)的坐標(biāo)值，亦即障礙物的具體位置。

    如圖1所示為車距預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別有單片機(jī)及其外圍電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、測溫電路、電源電路、車速檢測電路和語音報(bào)警電路。
2．2 車距預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．2．1 單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)
    在本設(shè)計(jì)中，主控芯片選擇的是單片機(jī)AT89S52。最小系統(tǒng)由AT89S52芯片以及外圍電路組成(如圖2所示)，是整個(gè)超聲波測距系統(tǒng)的核心部分。

2．2．2 超聲波發(fā)射電路
    超聲波發(fā)射電路在測距時(shí)通過方波發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，從而激發(fā)壓電換能器發(fā)射超聲波。為了提高超聲波的發(fā)送能力，讓其可以傳輸更遠(yuǎn)的距離，需要對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行放大。本文選擇NE555芯片搭建超聲波發(fā)射電路，用MAX232對(duì)電路進(jìn)行升壓，只需要+5 V電源供電。因此，超聲波發(fā)射電路主要包括方波發(fā)生器和升壓電路，如圖3所示。

2．2．3 超聲波接收電路
    超聲波接收電路的作用是將超聲波探頭接收到的微弱信號(hào)放大、濾波和整形后，輸出臺(tái)階信號(hào)，提示單片機(jī)計(jì)算超聲波在空氣中的傳播時(shí)間t。本設(shè)計(jì)中，超聲波接收部分采用紅外遙控調(diào)制芯片CX20106A，其調(diào)制頻率為38～40 kHz，采用脈沖位置調(diào)制法(PPM)，提高了紅外接收的抗干擾性能。由于在接收電路中產(chǎn)生的回波信號(hào)是模擬信號(hào)，若想要將此模擬信號(hào)傳送到AT89S52這樣的數(shù)字系統(tǒng)中，需要有隔離傳輸，又因?yàn)槌暡娦盘?hào)的頻率很高，因而本設(shè)計(jì)加入了光耦芯片6N137以方便信號(hào)能夠可靠的傳送。
    由于車距預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)接收探頭，這三個(gè)接收探頭都必須可以申請(qǐng)中斷，并且系統(tǒng)需要檢測回波是哪個(gè)探頭產(chǎn)生的，同時(shí)還需要屏蔽掉已經(jīng)檢測到回波的接收探頭傳回來的回波信號(hào)。因此，本設(shè)計(jì)采用了三個(gè)與門74HC11，將它與三路回波信號(hào)進(jìn)行與后再輸入控制芯片。車距預(yù)警系統(tǒng)的超聲波接收電路如圖4所示。

2．2．4 測溫電路
    本設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是DS18B20。它無需任何外圍硬件，直接將溫度數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)P1．1口。同時(shí)，該芯片可從單片機(jī)I／O口取電，而無需額外電源。DS18B20每塊芯片擁有其獨(dú)一的ID號(hào)碼，測溫范圍為-55～+125℃，適用電壓范圍為3．0～5．5 V。測溫電路如圖5所示。

2．2．5 電源模塊設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)總電源(即車載電平)是+12 V或+24 V，但本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的芯片均工作在+5 V左右電壓下，因此需要有一個(gè)電源模塊可以為系統(tǒng)提供+5 V的電壓。本設(shè)計(jì)選用電源模塊ZUS32405來為系統(tǒng)提供電壓。該模塊可以將+12 V或+24 V電壓轉(zhuǎn)換成+5 V電壓。模塊ZUS32405是開關(guān)電源，輸出端會(huì)有一定的波紋噪聲，并且模塊沒有反相保護(hù)和過電壓保護(hù)。因此，在使用電源模塊ZUS32405時(shí)，需要在輸入端加上過電壓保護(hù)和反相保護(hù)，在輸出端并聯(lián)一定值的電容用以消除各頻率段的紋波噪聲的影響。TVS管(即瞬態(tài)電壓抑制器)可以作為電源模塊的反相保護(hù)和過電壓保護(hù)器件。本設(shè)計(jì)的TVS管采用P6KE39A。電源模塊電路如圖6所示。

2．2．6 車速檢測電路
    由于車輛是在不斷的行進(jìn)中的，每一時(shí)刻相對(duì)于障礙物的位置都不相同，因此，需要加一個(gè)車速檢測電路，用以測出車速，從而對(duì)障礙物的距離作出準(zhǔn)確判斷。本設(shè)計(jì)采用車速傳感器NT-GTS-364，該款車速傳感器的工作原理是，車速傳感器正前端是金屬，這時(shí)產(chǎn)生一個(gè)高電平，當(dāng)距離不在(1．2±0．4)mm范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平，從而產(chǎn)生脈沖。車速傳感器一般安裝在齒輪變速箱輸出軸的測速齒輪附近。
車速傳感器的外圍電路如圖7所示。由于系統(tǒng)所需的供電電源為5 V，而車速傳感器需要有24 V的電源接入，因此車速傳感器與主控芯片中間需要通過光電耦合器TLP521-1。

2．2．7 語音預(yù)警電路
    本系統(tǒng)采用ISD4004語音芯片進(jìn)行語音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，該芯片可實(shí)現(xiàn)分段錄放。語音電路的主要作用是在車距預(yù)警過程中，根據(jù)倒車的距離段不同為駕駛員提供不同的人性化的語音提示，使倒車、泊車等動(dòng)作順利完成。其可實(shí)現(xiàn)錄音、放音、復(fù)位和靜音功能。
    單片機(jī)的P2.4接ISD4004的片選引腳SS，控制ISD4004是否選通；P1.5接ISD4004的串行輸入引腳MOSI，從該引腳讀入錄放音的地址；P1.6接ISD4004的串行輸出引腳MISO；P1．7接ISD4004的串行時(shí)鐘引腳SLCK。單片機(jī)AT89S52的P2．5接錄音按鈕S3，按下時(shí)對(duì)ISD4004進(jìn)行錄音操作；P2．6接放音按鈕，按下時(shí)對(duì)ISD4004進(jìn)行放音操作；P2．7接STOP按鈕，用來對(duì)ISD4004進(jìn)行復(fù)位。此外，ISD4004的音頻信號(hào)輸出引腳AUDOUT通過一個(gè)濾波電容，經(jīng)低壓音頻功率放大器LM386后與喇叭相連；MIC接ISD4004的錄音信號(hào)輸入端(ANA IN-，ANA IN+)；AMCAP為自動(dòng)靜音端，使用時(shí)通過一個(gè)1 μF電容接地。

    當(dāng)車與障礙物的距離大于3 m時(shí)，語音提示為“請(qǐng)放心行駛”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x等于2 m時(shí)，語音提示“2 m，2 m”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x為1．5m時(shí)，語音提示為“減速!減速”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于等于0．5 m時(shí)，語音提示為“危險(xiǎn)；停車”。語音預(yù)警電路如圖8所示。

3 車距預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用C語言編程。軟件系統(tǒng)主要包括主程序、定時(shí)中斷程序、外部中斷程序以及以上三個(gè)程序需要調(diào)用的若干個(gè)子程序，有測溫子程序、車速檢測子程序、距離計(jì)算子程序以及語音預(yù)警子程序。主程序的作用是完成系統(tǒng)的初始化、讀取溫度和計(jì)算距離值等。定時(shí)中斷程序主要是用來界定在不同的工作時(shí)段內(nèi)限定超聲波的發(fā)射和接收。外部中斷程序的作用是接收從CX20106A輸出的反射波信號(hào)，從而知道反射波的時(shí)刻。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)在測距過程中，不可避免地會(huì)存在測量誤差，產(chǎn)生測量誤差的主要原因如下：測量基準(zhǔn)誤差、原理誤差、超聲波回波時(shí)間測定的影響、超聲波傳播速度的影響、測距盲區(qū)的影響、衰減導(dǎo)致的誤差等。
    本文設(shè)計(jì)了一種車距預(yù)警系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20為溫度補(bǔ)償電路，提高了測量精度和智能化程度；采用電源模塊降壓，使系統(tǒng)能在合適電壓下正常工作；采用車速傳感器測出車速，可準(zhǔn)確測量車輛與障礙物間的相對(duì)位置；還有語音電路對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化。并且，系統(tǒng)采用三接收傳感器的設(shè)計(jì)方案來確定障礙物的空間三維坐標(biāo)，準(zhǔn)確判斷障礙物位置。本車距預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行良好，性能優(yōu)良、成本低、測距快，是安裝在汽車用以測距的好選擇。