陳 誠(chéng)， 戴爾晗

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

汽車倒車多方位報(bào)警系統(tǒng)

陳 誠(chéng)， 戴爾晗

(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023)

設(shè)計(jì)了一種以AT89S52單片機(jī)為主控件的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射、接收檢測(cè)電路和報(bào)警電路組成。利用最近反射物的判別原則比較測(cè)量距離與設(shè)定距離，將測(cè)量結(jié)果以蜂鳴器報(bào)警和LED閃爍形式呈現(xiàn)出來(lái)。該系統(tǒng)測(cè)量精度較高、反應(yīng)靈敏，可以對(duì)車后多方位障礙物的距離遠(yuǎn)近進(jìn)行報(bào)警。

單片機(jī)；超聲波；多方位

0 引言

現(xiàn)有汽車的倒車?yán)走_(dá)、倒車視頻影像測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)主要的功能都是用于倒車時(shí)水平方向的防撞。對(duì)于汽車倒車時(shí)背后有深坑、懸崖或水塘的情況，現(xiàn)有的汽車倒車報(bào)警系統(tǒng)不提供報(bào)警，從而導(dǎo)致人、車出現(xiàn)險(xiǎn)情，汽車的保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)漏洞。近年來(lái)，一些高檔車可以選擇配置泊車?yán)走_(dá)(車前)、自動(dòng)泊車入位、并線輔助裝置，其原理也與人們常見(jiàn)的倒車?yán)走_(dá)類似。但是，對(duì)于汽車在倒車時(shí)遇到司機(jī)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的深坑、懸崖或水塘的情況，目前尚無(wú)此類報(bào)警系統(tǒng)。為了減少汽車在山區(qū)或旅游景點(diǎn)地區(qū)的盤(pán)山道路上彎多路窄、懸崖陡坡以及停車場(chǎng)的墜落事故，本文設(shè)計(jì)一種汽車倒車多方位測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)，用以提高汽車的行車安全保障系數(shù)。

1 準(zhǔn)備知識(shí)

1.1 超聲測(cè)距原理

系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

利用超聲波在空氣中的傳播速度(340 m/s)為已知，測(cè)量超聲波在發(fā)射后遇到障礙物再反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

圖1 多方位測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)超聲發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波遇到反射物反射，被超聲接收探頭接收，如果超聲探頭與障礙物之間的距離為L(zhǎng)，定時(shí)器記錄超聲波折返所用的時(shí)間為Δt，V為超聲波的波速(超聲波在空氣中的傳播速度約為340 m/s)，那么就可以計(jì)算出超聲波的發(fā)射點(diǎn)距障礙物之間的距離為：

L=(V×Δt)/2

(1)

超聲波距離測(cè)量原理圖[1]如圖2所示。

圖2 超聲波距離測(cè)量原理圖

原則上反射的超聲波應(yīng)遵循反射定律，但一般物體的表面都不是很光滑的，所以在粗糙的路面反射的超聲波實(shí)際上會(huì)以漫反射的形式向各個(gè)方向反射。其中必然有一部分超聲波會(huì)反射回原超聲波的發(fā)射點(diǎn)位置。如果在原超聲發(fā)射點(diǎn)處又設(shè)置有一個(gè)超聲接收探頭，就能探測(cè)到超聲波從反射物直接反射回來(lái)的回波。

1.2 最近反射物的判別原則[2-3]

如果從超聲波發(fā)射探頭僅發(fā)出一個(gè)脈沖波，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，超聲波接收探頭實(shí)際上會(huì)依次接收到多個(gè)反射的脈沖信號(hào)。這是因?yàn)榻邮盏降某暡ㄐ盘?hào)中不僅有直接反射信號(hào)，還有在不同的反射物之間經(jīng)多次反射后再到達(dá)接收探頭的信號(hào)。但只要超聲波是從其他物體上進(jìn)行了兩次以上的反射，波到達(dá)接收探頭時(shí)所經(jīng)過(guò)的路程必然會(huì)大于從目標(biāo)物直接反射到接收探頭的路程，所以兩次以上的反射波到達(dá)接收探頭的時(shí)間會(huì)比直接反射波有滯后。根據(jù)這一原理，超聲接收探頭所接收到的第一個(gè)脈沖信號(hào)就只能是從最近的反射物直接反射回來(lái)的波。當(dāng)汽車倒車時(shí)，如果后面是一片平地，向后下方的超聲探頭的發(fā)射方向又保持不變，那么最近反射物的距離將基本保持不變，即超聲回波的第一個(gè)脈沖與發(fā)射信號(hào)的時(shí)差應(yīng)保持大體不變。但當(dāng)汽車的后下方出現(xiàn)一個(gè)深坑、懸崖時(shí)，第一個(gè)反射脈沖的時(shí)差就會(huì)異常地增大或者消失(反射物太遠(yuǎn)以致反射波測(cè)不到)，根據(jù)這一情況就可判斷在汽車的背后出現(xiàn)了深坑或懸崖。

2 硬件電路設(shè)計(jì)[4-5]

控制系統(tǒng)[6]在單片機(jī)內(nèi)部程序的控制下，超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，在超聲波遇到障礙物后，部分超聲波反射回來(lái)被超聲波接收探頭接收，信號(hào)輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行中斷和數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算出發(fā)射探頭到障礙物距離并與設(shè)定值進(jìn)行比較，再由蜂鳴器報(bào)警提示，以達(dá)到安全倒車的目的?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

2.1 超聲波的發(fā)射電路[7]

超聲波發(fā)射電路由超聲波發(fā)射探頭和放大電路組成。超聲波發(fā)射探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，單片機(jī)自發(fā)產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要放大才能驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭將超聲波發(fā)射出去，本設(shè)計(jì)選用74HC04芯片進(jìn)行信號(hào)放大，74HC04內(nèi)含6組反相器，低電平輸入則高電平輸出，超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

圖4 超聲波水平和豎直方向發(fā)射電路

2.2 超聲波的接收電路[7]

超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物后其中一部分超聲波會(huì)返回，也就是說(shuō)超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)有衰減。如果傳播距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路就會(huì)接收到比較微弱的超聲波返回信號(hào)，因此需要放大接收到的返回信號(hào)，放大的倍數(shù)也要比較大。水平方向超聲波接收電路主要是由CX20106A紅外遙控接收器集成芯片及外接電路構(gòu)成的，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，單片機(jī)立即停止計(jì)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。水平方向超聲波接收電路如圖5所示。

圖5 水平方向超聲波接收電路

豎直接收電路比水平接收電路多一個(gè)比較電路部分，輸入兩個(gè)電壓，以低電平有效輸出，如圖6所示。

圖6 豎直方向超聲波接收電路

2.3 報(bào)警裝置與鍵盤(pán)控制

報(bào)警模塊通過(guò)單片機(jī)給定不同頻率利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音，另一個(gè)就是通過(guò)發(fā)光二極管不同的顏色來(lái)定義不同的意義，如圖7所示。

圖7 報(bào)警電路

鍵盤(pán)主要用于水平回波時(shí)間的設(shè)定以及豎直方向距離調(diào)整，如圖8所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[8]

本設(shè)計(jì)采用模塊化[9]的思路來(lái)設(shè)計(jì)和編寫(xiě)程序，程序主要由系統(tǒng)主程序、子程序和中斷服務(wù)程序構(gòu)成。主程序完成單片機(jī)的初始化、超聲波的發(fā)射和接收、計(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離、蜂鳴器報(bào)警和LED的閃爍等。主程序如圖9所示。

圖8 鍵盤(pán)控制

圖9 主程序

超聲波接收電路在接收到超聲波回波后向單片機(jī)發(fā)出有效信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)外部中斷的改變記錄回波信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，中斷發(fā)生之后就表示已經(jīng)接收到了回波信號(hào)，這時(shí)停止計(jì)時(shí)，并且讀取計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，這個(gè)數(shù)值就是需要進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間差的數(shù)據(jù)。

3.1 中斷處理程序

圖10 中斷子程序

計(jì)算水平方向的車尾與障礙物之間的距離是INT0的中斷程序，豎直方向的距離是INT1的中斷程序。根據(jù)前面對(duì)超聲接收電路的分析，在超聲波接收探頭接收到超聲波回波信號(hào)后，超聲波接收電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平送至單片機(jī)的P3.2引腳使系統(tǒng)中斷，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理程序。進(jìn)入中斷處理后，定時(shí)器time1和外部中斷0就立即被關(guān)閉，同時(shí)讀取時(shí)間值，并給回波接收標(biāo)志位清零即成功接收到回波信號(hào)。中斷子程序流程圖如圖10所示。

3.2 蜂鳴器報(bào)警程序

主程序根據(jù)距離計(jì)算公式計(jì)算數(shù)據(jù)即距離結(jié)果的遠(yuǎn)近，通過(guò)蜂鳴器的鳴叫的頻率來(lái)分辨。在本設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)P3.7引腳來(lái)產(chǎn)生不同頻率的方波來(lái)控制蜂鳴器產(chǎn)生不同頻率的“滴滴”聲，且距離障礙物越近鳴叫頻率越高。

當(dāng)?shù)管嚲嚯x大于30 cm時(shí),語(yǔ)音提示為“倒車安全”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x在15～30 cm之間時(shí),語(yǔ)音提示為“倒車”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x在10～15 cm時(shí),語(yǔ)音提示為“倒車小心”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x在5～10 cm時(shí), 語(yǔ)音提示為“倒車危險(xiǎn)”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于5 cm 時(shí),語(yǔ)音提示為“非常危險(xiǎn),緊急停車”。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以89S52單片機(jī)為核心，同時(shí)以超聲波測(cè)距為主的顯示報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)超聲波傳感器采集數(shù)據(jù)，由單片機(jī)控制核心快速地計(jì)算出發(fā)射探頭到障礙物的距離并通過(guò)LED的閃爍同時(shí)利用蜂鳴器鳴叫進(jìn)行聲音報(bào)警提示，在實(shí)物模擬過(guò)程中測(cè)距精度達(dá)到5 cm高精度，測(cè)距盲區(qū)大約10 cm，小車模型超聲波模塊測(cè)距時(shí)存在的死區(qū)大約為10 cm，而實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)量距離范圍要遠(yuǎn)大于10 cm，測(cè)量的誤差比較小，滿足設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)對(duì)汽車倒車?yán)走_(dá)的市場(chǎng)具有一定的理論和研究?jī)r(jià)值。

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Car reversing multi-faceted alarm system

Chen Cheng, Dai Erhan

(College of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210046， China)

This paper designs ultrasonic distance measurement alarm system based on AT89S52 microcontroller-based control. System is mainly transmitted by the ultrasonic reception detection circuit and alarm circuit. Nearest reflectors discrimination principle is used to compare the distance measured with the distance set, and the measurement results are presented in forms of buzzer alarm and LED flashing. The system has high accuracy and responsive, and can alarm to distance between multi-faceted obstructions behind and the car.

SCM; ultrasonic; multi-faceted

TP273

A

1674-7720(2016)02-0075-03

陳誠(chéng)，戴爾晗. 汽車倒車多方位報(bào)警系統(tǒng)[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(2)：75-77.

2015-09-25)

陳誠(chéng)(1991-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：儀器儀表測(cè)量與控制研究。E-mail:chencheng1199@163.com。

戴爾晗(1973-)，男，學(xué)士，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)與測(cè)控系統(tǒng)研究。