韓　韌， 金永威， 王　強(qiáng)

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.河南大學(xué) 軟件學(xué)院，河南 開封 475000)

設(shè)計(jì)與制造

基于STM32和超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

韓韌1， 金永威1， 王強(qiáng)2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.河南大學(xué) 軟件學(xué)院，河南 開封 475000)

摘要:針對目前大多數(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)用型汽車、貨車等車輛沒有裝備倒車?yán)走_(dá)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)主要包括超聲波測距電路、單片機(jī)控制電路、LCD顯示電路、報(bào)警電路等；軟件設(shè)計(jì)主要包括超聲波測距原理介紹和系統(tǒng)軟件工作流程等。汽車倒車時(shí)，該系統(tǒng)能夠檢測出汽車后面障礙物的距離，并且在LCD上實(shí)時(shí)顯示汽車與障礙物之間的距離；當(dāng)障礙物與車之間的距離超出預(yù)先設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)，該系統(tǒng)會發(fā)出聲光報(bào)警，提高安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)在20～500 cm范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測距，最大平均誤差不超過3 %，能夠在預(yù)設(shè)的報(bào)警距離處及時(shí)報(bào)警，達(dá)到預(yù)期目的，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡單、性能好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:超聲波測距； 倒車?yán)走_(dá)； 單片機(jī)； 液晶顯示； 聲光報(bào)警

0引言

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，越來越多的家庭擁有了自己的汽車。然而汽車數(shù)量的逐漸增加，給人們帶來便利的同時(shí)，由于倒車引發(fā)的事故也越來越多[1]，使得人們越來越擔(dān)心倒車的安全問題，為此，在汽車上安裝倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)日益受到重視。

目前生產(chǎn)的大多數(shù)中高檔汽車基本都裝配有倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，然而出于對價(jià)格的考慮，很多經(jīng)濟(jì)實(shí)用型汽車、貨車等車輛還沒有裝配倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)[2，3]。針對上述情況，本文設(shè)計(jì)出一種成本低、操作簡單、性能好的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)汽車需要倒車時(shí)，該系統(tǒng)能夠檢測出汽車后面障礙物的距離，并且實(shí)時(shí)顯示該距離，一旦汽車與障礙物的距離小于預(yù)先設(shè)定的報(bào)警距離時(shí)，該系統(tǒng)會發(fā)出聲光報(bào)警。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，使得經(jīng)濟(jì)實(shí)用型汽車、貨車等車輛可以安裝上經(jīng)濟(jì)實(shí)用的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，提高倒車的安全性。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種性價(jià)比較高的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)思路是當(dāng)汽車啟動(dòng)倒檔時(shí)，倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)也被開啟，通過該系統(tǒng)的超聲波測距模塊實(shí)時(shí)測量汽車與障礙物之間的距離，為了使測量結(jié)果更加精確，系統(tǒng)加入了溫度補(bǔ)償電路，最后在LCD1602顯示屏上顯示距離障礙物的距離，當(dāng)汽車距離障礙物小于預(yù)設(shè)的報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報(bào)警，提醒駕駛員注意安全。

實(shí)現(xiàn)以上功能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1　Block diagram of system structure

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制電路模塊

本系統(tǒng)單片機(jī)選用STM32F103C8T6，是一種基于ARM32位的Cortex—M3內(nèi)核的單片機(jī)，工作電壓范圍為2.0～3.6V，CPU工作頻率最高可達(dá)72MHz，具有速度快、成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[4]。單片機(jī)控制系統(tǒng)電路如圖2所示。其中圖2(a)為單片機(jī)接口電路模塊:單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，控制著其它模塊的工作；圖2(b)是溫度測量電路模塊:由于超聲波傳播速度容易受到溫度的影響，其傳播速度v與環(huán)境溫度T的關(guān)系式為v=331.4+0.607 T(m/s)，為了獲得較為準(zhǔn)確的聲速，該系統(tǒng)引入主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成的溫度補(bǔ)償電路[5]對環(huán)境溫度進(jìn)行測量，以提高測量精度，減少誤差。鍵電路模塊:主要用于對報(bào)警距離的設(shè)定，其中按鍵S1表示“加一”、按鍵S2表示“減一”、按鍵S3表示“確定”按鍵、按鍵S4用于報(bào)警系統(tǒng)的清零。電源電路模塊:采用芯片LM7805將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓、采用芯片AMS1117將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓。

圖2　單片機(jī)控制系統(tǒng)電路Fig 2　Circuit of MCU control system

2.2超聲波測距電路模塊

超聲波測距電路模塊包括超聲波發(fā)射和接收電路模塊。其中超聲波發(fā)射電路模塊使用超聲波發(fā)射探頭CSB40T，利用LM555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波，由LM555第3引腳輸出端驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，使之發(fā)射出超聲波信號[6]，電路如圖3所示。為了調(diào)節(jié)信號頻率，電路設(shè)計(jì)中加入了可調(diào)電阻Rp，可以通過調(diào)節(jié)電阻Rp的阻值改變振蕩頻率，使之與超聲波探頭40kHz的固有頻率保持一致。

圖3　超聲波發(fā)射電路Fig 3　Ultrasonic transmitter circuit

超聲波接收電路模塊需要完成的任務(wù)是將獲取的信號進(jìn)行處理，給單片機(jī)以提示，證明已經(jīng)接收到回波信號，從而能夠確認(rèn)超聲波在空氣中所傳播的時(shí)間。該模塊選用紅外接收芯片CX20106和超聲波接收探頭CSB40R等構(gòu)成超聲波接收電路模塊[7]，電路如圖4所示。

圖4　超聲波接收電路Fig 4　Ultrasonic receiver circuit

2.3顯示電路模塊

顯示模塊主要使用LCD1602液晶顯示模塊，LCD1602是專門用來顯示字母、數(shù)字、符號的液晶顯示模塊，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)。

2.4報(bào)警電路模塊

聲光報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)發(fā)光二極管和其他外圍電路組成，電路如圖6所示。開始倒車時(shí)，駕駛員可以根據(jù)實(shí)際路況對報(bào)警距離進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離小于預(yù)設(shè)的距離值時(shí)，單片機(jī)PA8口將輸出低電平，此時(shí)報(bào)警電路被導(dǎo)通，蜂鳴器和發(fā)光二極管同時(shí)出現(xiàn)聲光報(bào)警提醒駕駛員，防止倒車事故發(fā)生。

圖5　聲光報(bào)警電路Fig 5　Circuit of audible and visual alarm

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1超聲波測距原理

超聲波是指頻率高于20kHz的聲波。常用的測距方法主要有:超聲波幅值檢測法、相位檢測法以及渡越時(shí)間檢測法[8]。其中超聲波幅值檢測法容易受外界環(huán)境的影響，從而無法測得精確的距離；超聲波相位檢測法的精確度比較高，但是檢測的距離范圍較小。因此，本系統(tǒng)采用超聲波渡越時(shí)間檢測法，此方法具有實(shí)現(xiàn)起來簡單、成本低、可應(yīng)用的距離范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)的超聲波渡越時(shí)間檢測法工作原理[9]是:從單片機(jī)發(fā)出一串脈沖方波信號開始計(jì)數(shù)，經(jīng)過超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波，超聲波傳播到障礙物表面后反射回到超聲波接收端，回波信號被單片機(jī)檢測到時(shí)停止計(jì)數(shù)[10]，可以得到超聲波在空氣中傳播的往返時(shí)間Δt。若單片機(jī)的機(jī)器周期為T0，那么汽車距離障礙物的距離D表示為

式中T0為單片機(jī)的機(jī)器周期，N為單片機(jī)計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)量，V為超聲波的傳播速度。

3.2系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作流程大致如下:先對系統(tǒng)初始化設(shè)置；然后發(fā)射超聲波，同時(shí)打開計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)接收到超聲波時(shí)，開外部中斷并且關(guān)閉計(jì)數(shù)器；溫度測量模塊測出環(huán)境溫度，根據(jù)測得的溫度值計(jì)算出超聲波的傳播速度，再計(jì)算出汽車與障礙物之間的距離；最后設(shè)置報(bào)警距離，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離小于報(bào)警距離時(shí)，該系統(tǒng)會發(fā)出聲光報(bào)警提醒駕駛員，以確保倒車安全。具體的系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)主程序流程圖Fig 6　Main program flow chart of system

3.3系統(tǒng)中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對超聲波往返時(shí)間的計(jì)數(shù)是通過單片機(jī)的PB9端口的外部中斷功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)啟動(dòng)倒車時(shí)，該倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)器中斷服務(wù)子程序，即通過單片機(jī)的PB10端口輸出頻率為40kHz的脈沖方波信號，同時(shí)打開定時(shí)器開始計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)。一旦超聲波接收電路檢測到回波信號時(shí)，便觸發(fā)PB9端口產(chǎn)生外部中斷信號，并且將外部中斷信號送給單片機(jī)，單片機(jī)即可進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器。其定時(shí)器中斷服務(wù)子程序流程圖如圖7(a)所示、外部中斷服務(wù)子程序流程圖如圖7(b)所示。

圖7　中斷服務(wù)流程圖Fig 7　Flow chart of interrupt service

4實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文提出的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)是超聲波測距，測距精度直接決定了系統(tǒng)的性能。因此,本文在一個(gè)停車場對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到了氣溫隨時(shí)間變化，對測距準(zhǔn)確度的影響，因此，實(shí)驗(yàn)固定汽車與障礙物之間的距離為280cm，選擇一天中的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，對應(yīng)不同的氣溫，分別對測距準(zhǔn)確度進(jìn)行測試。如表1所示。

表1　有溫度補(bǔ)償與無溫度補(bǔ)償測試值對比

在倒車中，車輛與障礙物的位置是在變化的，因此系統(tǒng)需要在不同位置上具有良好的測距精度。本組實(shí)驗(yàn)，測試時(shí)間為中午12時(shí)，溫度為13 ℃，測試汽車在不同位置處實(shí)驗(yàn)測量距離的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，在不同的距離上，系統(tǒng)測距與實(shí)際距離的誤差并沒有明顯的變化，最大平均誤差不超過3%，在各距離上達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表2　距離測量值與實(shí)際值對比

系統(tǒng)的報(bào)警機(jī)制是提醒駕駛員確保倒車安全的重要保證，為了滿足不同場景的需求，系統(tǒng)的報(bào)警距離可以進(jìn)行設(shè)置。本組實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的報(bào)警靈敏度。實(shí)驗(yàn)選擇200,300,400cm三個(gè)距離，并且對于每一個(gè)距離，分別設(shè)置50,100,150cm三個(gè)報(bào)警距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，系統(tǒng)能夠在預(yù)設(shè)的報(bào)警距離處及時(shí)觸發(fā)報(bào)警，提醒駕駛員注意安全，達(dá)到指示倒車的目的。

5結(jié)束語

本文通過采用單片機(jī)控制和超聲波測距，設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)。可以實(shí)時(shí)顯示汽車與障礙物之間的距離，并且在報(bào)警距離內(nèi)發(fā)出聲光報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在不同的距離上，最大平均誤差不超過3 %，并且能夠在預(yù)設(shè)的報(bào)警距離處及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒駕駛員，達(dá)到指示倒車的目的。

表3　不同報(bào)警距離測試

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DesignofcarreversingradarwarningsystembasedonSTM32andultrasonicwaveranging*

HANRen1,JINYong-wei1,WANGQiang2

(1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.SchoolofSoftware,HenanUniversity,Kaifeng475000,China)

Abstract:Aiming at status that most compact cars and trucks are lack of reversing radar due to cost constraints,design a low-cost simple structure reversing radar warning system with high reliability.Hardware design consists of ultrasonic wave distance measurement circuit,LCD display circuit,alarm circuit.Software design consists of introduction of ultrasonic ranging principle and workflow of software system.In the process of reversing,the system can detect distance between car and obstacle and display distance on LCD in real time.Once the distance exceeds the preset warning threshold,the audible and visual alarm will be triggered to warn the driver.Experimental results show that the proposed system can achieve correct ranging value of the distance and the maximum average error is not exceed 3 %,the system is also characterized by lower energy consumption and well performance.

Key words:ultrasonic distance measurement; reversing radar; MCU; LCD; audible and visual alarm

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0063—04

收稿日期：2016—02—24

*基金項(xiàng)目：河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14B520022)；河南省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(142102210396)

中圖分類號:TP 277

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0063—04

作者簡介:

韓韌(1980-)，男，湖北武漢人，博士，講師，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

王強(qiáng)，通訊作者，E—mail:wangqiang197909@163.com。