摘 要:汽車倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)是汽車泊車輔助裝置。系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與回波接收電路、超聲波電信號(hào)放大電路、單片機(jī)控制電路、顯示電路和聲音報(bào)警電路組成,根據(jù)超聲波測(cè)距原理,實(shí)現(xiàn)倒車防撞預(yù)警。給出了硬件各單元電路圖,軟件主要模塊的流程圖,說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程和工作原理。采用通用型單片機(jī)作為控制電路,方便功能擴(kuò)展,充分利用單片機(jī)的內(nèi)部資源,外圍元件少、電路簡(jiǎn)潔、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞:倒車?yán)走_(dá);超聲波測(cè)距;單片機(jī);硬件電路;軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-160-04

Design and Realization of Car Reversing Anti-Collision Warning

System Based on Single Chip Computer

WEI Suilin

(Guangxi Hydraulic and Electric Polytechnic College,Nanning,530023,China)

Abstract:Car reversing anti-collision warning system is the car parking auxiliary unit.The system is composed of ultrasonic transmitting and receiving circuit ,ultrasonic electrical signal enlargement circuit,single chip computer control circuit,display circuit and sound alarming circuit.According to ultrasonic ranging principle,car reversing anti-collision warning is realizedred,the hardware various units circuit diagram are given,as well as the software main module flow chart.The design process and principle of work are analyzed in the paper.The system takes the general single chip computer as the control circuit,convenient function expansion.Fully using single chip computer′s internal resources,the periphery part is few,the circuit is simple,low price and usable.

Keywords:car reversing radar;ultrasonic ranging;single chip computer;hardware circuit;software design

0 引 言

汽車倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)即是俗稱的倒車?yán)走_(dá),是汽車泊車輔助裝置。在汽車倒車時(shí),倒車?yán)走_(dá)采用超聲波測(cè)距原理探測(cè)汽車尾部離障礙物的距離,當(dāng)汽車尾部離障礙物的距離達(dá)到探測(cè)范圍時(shí),倒車?yán)走_(dá)通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示距離。當(dāng)汽車尾部離障礙物的距離達(dá)到設(shè)定的安全警告值時(shí),倒車?yán)走_(dá)發(fā)出報(bào)警聲,以警示駕駛員,輔助駕駛員安全倒車。現(xiàn)在生產(chǎn)的中高檔小轎車大多數(shù)都配置有倒車?yán)走_(dá),而出于節(jié)省成本等方面的考慮,經(jīng)濟(jì)型小轎車、大客車等其他車輛都沒(méi)有配置倒車?yán)走_(dá)。有市場(chǎng)需求的產(chǎn)品,必然會(huì)帶動(dòng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。倒車?yán)走_(dá)電路種類較多,本文介紹基于單片機(jī)控制的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用通用型單片機(jī)作為控制電路,方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展。系統(tǒng)電路主要采用集成器件構(gòu)成,外圍元件少,電路簡(jiǎn)潔、調(diào)試方便、成本低,利于商品化生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)由四路收發(fā)一體封閉(防水)型超聲波傳感器及其超聲波發(fā)射與回波接收電路、超聲波電信號(hào)放大電路、單片機(jī)控制電路、LED數(shù)碼管顯示電路和蜂鳴器聲音報(bào)警電路組成。

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)組成框圖

當(dāng)汽車倒車時(shí)由倒車換擋裝置自動(dòng)接通系統(tǒng)電源,系統(tǒng)上電復(fù)位,進(jìn)入工作狀態(tài)。單片機(jī)編程產(chǎn)生一串40 kHz的矩形脈沖電壓,經(jīng)四選一模擬開(kāi)關(guān)加到超聲波發(fā)射與回波接收電路,經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射出超聲波,同時(shí)單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)。發(fā)射出的超聲波碰到障礙物后形成反射波,部分反射波返回作用于超聲波傳感器,經(jīng)超聲波傳感器的聲/電轉(zhuǎn)換,變成微弱的電信號(hào),該微弱的電信號(hào)經(jīng)放大、整形產(chǎn)生負(fù)跳變電壓,向單片機(jī)發(fā)出中斷申請(qǐng)。單片機(jī)收到中斷申請(qǐng)的信號(hào)后,立即響應(yīng)中斷,執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序,停止計(jì)時(shí),得到超聲波發(fā)送和返回的時(shí)間T,計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)離障礙物的距離[1]S,即:S=(C?T)/2。C是超聲波在空氣中的傳播速度,在常溫25 ℃時(shí),C約為346 m/s。若發(fā)射出的超聲波在測(cè)距范圍內(nèi)未遇到障礙物,直到單片機(jī)定時(shí)中斷產(chǎn)生,執(zhí)行定時(shí)中斷服務(wù)程序,選擇下一路,依次按后左路、后左中路、后右中路、后右路的順序繼續(xù)發(fā)射和接收超聲波,并經(jīng)過(guò)計(jì)算處理。四路探測(cè)處理完畢,選擇四路中測(cè)出的最小距離值通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。當(dāng)最小距離值小于預(yù)先設(shè)定的報(bào)警距離時(shí),單片機(jī)接通蜂鳴器的電源,蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。若四路探測(cè)無(wú)回波中斷申請(qǐng),則顯示“—.— —”,表明在安全距離內(nèi)沒(méi)有障礙物,再繼續(xù)下一輪的循環(huán)探測(cè)處理。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 超聲波發(fā)射與回波接收電路

超聲波發(fā)射與回波接收電路的主要作用是提高驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的脈沖電壓幅值,有效地進(jìn)行電/聲轉(zhuǎn)換,增大超聲波的發(fā)射距離,并通過(guò)收發(fā)一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉(zhuǎn)變成微弱的電信號(hào)。超聲波發(fā)射與回波接收電路如圖2所示(畫出一路,其他三路與該路一樣)。

圖2 超聲波發(fā)射與回波接收電路

EFR40RS是收發(fā)一體封閉(防水)型超聲波傳感器,其中心頻率f0=(40.0±1.0) kHz,-3 dB帶寬1 kHz。驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值要求60～150 V。CD4052是雙路四選一模擬開(kāi)關(guān),單片機(jī)的P3.4和P3.5端口輸出選通信號(hào),單片機(jī)的P3.3端口輸出一串40 kHz的脈沖電壓,通過(guò)CD4052的X路加到選通的開(kāi)關(guān)三極管Q1基極,經(jīng)脈沖變壓器T1升壓至100 VP-P左右,驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器EFR40RS發(fā)射超聲波。發(fā)射時(shí)的脈沖電壓幅值大小直接影響測(cè)距的遠(yuǎn)近,應(yīng)采用超聲波專用的脈沖變壓器。反射回的超聲波經(jīng)原收發(fā)一體封閉型超聲波傳感器變成毫伏級(jí)的一串脈沖電信號(hào)。由于回波電信號(hào)的幅值小, VD3和VD4二極管截止,該信號(hào)不會(huì)通過(guò)T1變壓器副邊線圈形成短路。VD1和VD2二極管也截止[2],所以回波電信號(hào)經(jīng)R1和C1,通過(guò)CD4052的Y路送到超聲波電信號(hào)放大與整形電路。R1和VD1,VD2組成雙向限幅電路,避免發(fā)射時(shí)的大信號(hào)造成超聲波放大與整形電路阻塞,甚至損壞電路。

2.2 超聲波電信號(hào)放大電路

超聲波電信號(hào)放大電路采用集成電路CX20106A構(gòu)成[3]。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號(hào)接收集成電路。通過(guò)外部所接電阻,將其內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0設(shè)置為40 kHz,就可以接收放大超聲波電信號(hào),并整形輸出負(fù)脈沖電壓。

應(yīng)用電路如圖3所示。1腳是超聲波電信號(hào)輸入端,2腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò),是內(nèi)部前置放大電路負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的組成部分。電阻R5的數(shù)值確定前置放大電路的增益。R5電阻值減小,負(fù)反饋減弱,放大倍數(shù)增大;反之,則放大倍數(shù)減小。3腳與地之間連接檢波電容C3,適當(dāng)改變電容C3的大小,可以改變超聲波電信號(hào)放大和整形電路的靈敏度和抗干擾能力。C3電容量大,靈敏度低,抗干擾能力強(qiáng);C3容量小,靈敏度高,抗干擾能力弱,易造成誤動(dòng)作。5腳與電源間接入一個(gè)電阻,用以設(shè)置內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0。當(dāng)R6=200 kΩ時(shí),f0=40 kHz。6腳與地之間接一個(gè)積分電容,標(biāo)準(zhǔn)值為330 pF。如果該電容值取得太大,會(huì)使探測(cè)距離變短。7腳是電路集電極開(kāi)路輸出端,R7是該引腳的上拉電阻[4]。集成電路CX20106A無(wú)信號(hào)輸入時(shí),7腳輸出高電平,當(dāng)輸入的超聲波電信號(hào)經(jīng)放大、整形后,7腳輸出一個(gè)負(fù)脈沖電壓。

圖3 超聲波放大與整形電路

2.3 單片機(jī)控制電路和顯示、報(bào)警電路

電路如圖4所示。由于系統(tǒng)用到單片機(jī)的輸入/輸出端口不多,在不考慮功能擴(kuò)展時(shí),從功能夠用和低成本的角度考慮,采用AT89C2051單片機(jī)作為控制電路的核心器件。AT89C2051單片機(jī)共有20個(gè)引腳,其中有15個(gè)I/O端口(P3.6無(wú)引出腳)。兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,其體積小、價(jià)格低。采用12 MHz高精度的晶振,以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率,減小測(cè)量誤差。單片機(jī)的P3.3端口周期性的輸出一串40 kHz的矩形脈沖,通過(guò)雙路四選一模擬開(kāi)關(guān)CD4052周期性地加到四路超聲波發(fā)射與回波接收電路。單片機(jī)的P3.4和P3.5端口輸出雙路四選一模擬開(kāi)關(guān)CD4052的選通信號(hào)。單片機(jī)的P3.2端口為外部中斷0中斷申請(qǐng)信號(hào)輸入端。三位LED數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。U4的小數(shù)點(diǎn)常亮,U4的單位為m, U5的單位為dm,U6的單位為cm。采用有源蜂鳴器作為報(bào)警發(fā)音器件,一是器件成本低,二是便于動(dòng)態(tài)掃描顯示的軟件編程。

圖4 單片機(jī)控制電路和顯示、報(bào)警電路

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),方便擴(kuò)展移植。采用匯編語(yǔ)言編程。主要有主程序、T0中斷服務(wù)程序、外部中斷0服務(wù)程序、超聲波發(fā)生子程序。

3.1 主程序

本系統(tǒng)有四路測(cè)距通道,采用分時(shí)工作,按后左→后左中→后右中→后右順序循環(huán)測(cè)距。每一路發(fā)射超聲波后的等待外部中斷時(shí)間應(yīng)大于超聲波在最大有效探測(cè)距離內(nèi)往返時(shí)間。所以按最大有效探測(cè)距離可以估算出最短的循環(huán)間隔時(shí)間。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鞑ツ芰繒?huì)不斷衰減,所以超聲波測(cè)距存在最大有效探測(cè)距離。這最大有效探測(cè)距離與多種因數(shù)有關(guān):

與超聲波傳感器性能的好壞、與驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的脈沖電壓幅值(功率)的大小、障礙物大小和形狀、障礙物吸波特性以及反射波與入射波之間的夾角、與超聲波放大和整形電路的靈敏度等有關(guān)[5]。設(shè)定最大有效探測(cè)距離為8 m(收發(fā)一體封閉型超聲波傳感器比較難達(dá)到,實(shí)際上也沒(méi)有必要探測(cè)很遠(yuǎn)的障礙物,只是設(shè)計(jì)留有裕量。由于顯示位數(shù)有限,也必須對(duì)最大探測(cè)距離做限制),則循環(huán)工作的間隔時(shí)間Tm=2S/C=2×8/34646 ms,加上避免接收超聲波傳感器余振的延時(shí)和程序執(zhí)行時(shí)間,留足裕量,設(shè)定Tm56 ms。

主程序流程圖如圖5所示。首先是對(duì)系統(tǒng)初始化。端口P1.0、P3.3置0;設(shè)置堆棧,中斷允許總控制位EA允許中斷(EA=1);允許外部中斷0中斷(EX0=1),采用邊沿觸發(fā)方式(IT0=1);設(shè)置定時(shí)器T0允許中斷(ET0=1),以16位工作方式定時(shí)約56 ms;設(shè)置定時(shí)器T1以16位工作方式定時(shí)/計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)初值0000H,然后啟動(dòng)T0定時(shí)。設(shè)置顯示數(shù)據(jù)初值為三位BCD碼999(cm),對(duì)應(yīng)字形段碼顯示“---”。四路探測(cè)處理完畢后,將四組數(shù)據(jù)中的最小值送入顯示緩沖區(qū),通過(guò)LED數(shù)碼管顯示。同時(shí)該值與設(shè)定的100 cm值比較,若四組數(shù)據(jù)中的最小值小于100 cm,P3.7端口置0,Q2三極管導(dǎo)通,有源蜂鳴器得電發(fā)出報(bào)警聲。

圖5 主程序流程圖

由于單片機(jī)采用12 MHz的晶振,1個(gè)機(jī)器周期為1 μs,所以計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1 μs,定時(shí)器T1工作模式設(shè)置為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式,則其最大定時(shí)65.536 ms[6]。由于定時(shí)器T0每56 ms產(chǎn)生中斷,執(zhí)行T0中斷服務(wù)程序時(shí)停止T1計(jì)時(shí),所以T1計(jì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生溢出中斷。一輪四路探測(cè)處理完畢所用時(shí)間大約是56 ms×4=224 ms,用時(shí)很短,而倒車速度又比較慢,所以可以做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

3.2 T0中斷服務(wù)程序

T0中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。每隔56 ms分別按后左→后左中→后右中→后右順序選通下一路超聲波發(fā)射與回波接收電路,調(diào)用超聲波發(fā)生子程序,送出16個(gè)40 kHz的超聲波脈沖電壓,定時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí),定時(shí)器T0開(kāi)始定時(shí)56 ms,使每路工作56 ms。為了避免接收到超聲波傳感器余振的直射波產(chǎn)生的中斷申請(qǐng),延時(shí)2.8 ms后,才允許外部中斷0中斷,等待接收返回的超聲波信號(hào)。所以,最小探測(cè)距離(盲區(qū))Smin=Ct/2=346×0.002 8/20.48 m。四路探測(cè)處理完畢,將四路中最小值送入顯示緩沖區(qū)。若在四路探測(cè)中有些路在有效探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)射的超聲波未遇障礙物,無(wú)返回波,外部中斷0不產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào),或者是進(jìn)入探測(cè)盲區(qū),外部中斷0產(chǎn)生的中斷申請(qǐng)不被受理,則定時(shí)器T1計(jì)時(shí)到定時(shí)器T0產(chǎn)生中斷,在T0中斷服務(wù)程序中,用三位BCD碼999(三位十進(jìn)制數(shù)最大值999 cm)置夠四組數(shù)據(jù)。若顯示緩沖區(qū)的四組數(shù)據(jù)都是999時(shí),則對(duì)應(yīng)字形段碼顯示“---”。倒車伊始,LED數(shù)碼顯示器就顯示“-.--”,表明在安全距離內(nèi)沒(méi)有障礙物;若發(fā)出報(bào)警聲后,又顯示“-.--”,表明進(jìn)入了探測(cè)盲區(qū)。

圖6 T0中斷服務(wù)程序

3.3 外部中斷0服務(wù)程序

外部中斷0服務(wù)程序流程圖如圖7所示。單片機(jī)一旦接收到返回超聲波信號(hào)(即INT0引腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖?,立即進(jìn)入外部中斷0服務(wù)程序。首先停止定時(shí)器T1計(jì)時(shí),禁止外部中斷0中斷。然后將定時(shí)器T1中的數(shù)N,也即將超聲波往返所用的時(shí)間N(單位:μs),按式S=CT/2=(346×N×10-6)/2=173×N÷10 000計(jì)算,即得被測(cè)物的距離(單位:cm),將計(jì)算結(jié)果以百位、十位、個(gè)位BCD碼方式送入比較大小的緩沖區(qū),以備比較大小使用。然后等待定時(shí)器T0定時(shí)56 ms中斷的產(chǎn)生,繼續(xù)下一路的探測(cè)處理。

圖7 外部中斷0服務(wù)程序流程圖

3.4 超聲波發(fā)生子程序

超聲波發(fā)生子程序通過(guò)P3.3端口發(fā)送16個(gè)周期是25 μs(即頻率40 kHz,1個(gè)周期內(nèi)高電平持續(xù)13 μs、低電平持續(xù)12 μs)的矩形脈沖電壓。脈沖串個(gè)數(shù)在10～20個(gè)比較合適。脈沖個(gè)數(shù)太少,發(fā)射強(qiáng)度小,探測(cè)距離短;脈沖個(gè)數(shù)太多,發(fā)射持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),在離障礙物距離近時(shí),脈沖串尚未發(fā)射完畢,先發(fā)射出去的脈沖產(chǎn)生的回波就到達(dá)接收端,影響測(cè)距結(jié)果,造成測(cè)距盲區(qū)增大。

4 實(shí)現(xiàn)應(yīng)用分析

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了可行性的研究設(shè)計(jì),要實(shí)際應(yīng)用中就必須考慮測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性的問(wèn)題。因此,本系統(tǒng)可采取幾項(xiàng)措施來(lái)提高測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性。

(1) 超聲波的傳播速度與溫度有關(guān)。為了適應(yīng)不同環(huán)境溫度下的測(cè)距需要,提高測(cè)量精度,硬件電路上可增加檢測(cè)車外環(huán)境溫度的環(huán)節(jié)。單片機(jī)根據(jù)實(shí)測(cè)的溫度值,再計(jì)算確定超聲波的傳播速度[7],即C=331.4+0.61t。t是環(huán)境溫度?；蛘咴诓辉黾佑布杀厩闆r下,可考慮通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,找到測(cè)量值與實(shí)際值偏差特點(diǎn)和規(guī)律,通過(guò)軟件編程對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。

(2) 軟件設(shè)計(jì)中采用數(shù)字濾波中的算術(shù)平均濾波程序[8]對(duì)每個(gè)測(cè)距點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量,取平均值作為該測(cè)距點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性。要盡量減小探測(cè)盲區(qū),所設(shè)定的延時(shí)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際所用超聲波傳感器余振時(shí)間而定,可在實(shí)際調(diào)試中確定最小延時(shí)時(shí)間。

(3) 倒車?yán)走_(dá)安裝在車上,倒車?yán)走_(dá)的工作環(huán)境非常惡劣[9],汽車倒車工作時(shí),高壓點(diǎn)火產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射,會(huì)影響電路正常工作。所以在硬件及軟件方面要考慮采取抗干擾措施,提高系統(tǒng)工作的可靠性。如用金屬殼屏蔽電路,采用屏蔽線連接超聲波傳感器;在滿足測(cè)量距離的情況下,可適當(dāng)調(diào)大超聲波電信號(hào)放大和整形電路中檢波電容C3的容量。硬件上可增加“看門狗”電路,軟件設(shè)計(jì)添加指令冗余、軟件陷阱、或設(shè)置軟件“看門狗”[10],防止程序“跑飛”或者進(jìn)入死循環(huán)。

對(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō),倒車時(shí)主要關(guān)心的是車后方有無(wú)障礙物、以及障礙物離車大約有多遠(yuǎn)等問(wèn)題。由于車子制動(dòng)時(shí)存在慣性,倒車遇到障礙物時(shí),駕駛員總要提前制動(dòng)。考慮性價(jià)比,倒車?yán)走_(dá)測(cè)量精度不必很高。但從倒車安全考慮,此時(shí)的測(cè)量顯示值寧大勿小。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源,用軟件編程產(chǎn)生超聲波矩形脈沖,代替硬件的超聲波發(fā)生電路,節(jié)省了硬件成本。采用一塊集成器件實(shí)現(xiàn)超聲波接收放大和整形,避免了采用多級(jí)集成運(yùn)放組成高增益放大電路易產(chǎn)生自激等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)可行。在不增加硬件成本時(shí),通過(guò)完善軟件設(shè)計(jì),可提高系統(tǒng)測(cè)量精度和工作的可靠性,能夠滿足使用要求。在考慮功能擴(kuò)展時(shí),可以采用帶“看門狗”的AT89S52單片機(jī),以增加擴(kuò)展端口。在超聲波測(cè)距的基礎(chǔ)上,如可增加防盜報(bào)警功能、車載蓄電池電壓檢測(cè)功能等,若增加微型攝像頭和小型液晶顯示器,便成為可直接觀察車后方的可視倒車?yán)走_(dá)。本系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng),性價(jià)比高。

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作者簡(jiǎn)介 韋穗林 男, 1964年出生,廣西人,講師,工程師。主要從事電子技術(shù)課程的教學(xué)工作。