周超 劉巖

摘 要：本文旨在設(shè)計一款經(jīng)濟(jì)適用的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。首先文章簡述了汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)和超聲波傳感器的基本原理和特性。接著，對于倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案的設(shè)計，總體思路是將單片機(jī)技術(shù)與超聲波技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。相應(yīng)地，在總體方案設(shè)計之后，對系統(tǒng)進(jìn)行了硬件選型和設(shè)計。隨后，對系統(tǒng)的軟件模塊進(jìn)行了設(shè)計，并通過C語言編程予以實現(xiàn)。最終，通過系統(tǒng)測試和聯(lián)調(diào)，達(dá)到了設(shè)計要求，取得了理想的效果。

關(guān)鍵詞：STC89C52;超聲波;倒車?yán)走_(dá)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，家用汽車在中國的普及率越來越高。如何有效、安全地駕駛汽車成為人們關(guān)心的問題。因此，對于大多數(shù)汽車駕駛員來說，設(shè)計一款經(jīng)濟(jì)適用的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，具有現(xiàn)實的意義。

1 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)

1.1 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)概述

汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)通常由攝像頭、控制器、顯示器和報警器四部分構(gòu)成。在駕駛汽車進(jìn)行倒車操作時，通過攝像頭采集汽車與障礙物之間的影像信息，然后將這些信息傳送給控制器。接著，控制器對上述信息進(jìn)行比較和判別，以便將其轉(zhuǎn)換為汽車與障礙物之間的距離信息。最終，通過顯示器顯示上述距離信息，或者通過報警器，以聲光的形式提示駕駛者汽車當(dāng)前的運(yùn)行狀況，從而指導(dǎo)駕駛者安全地駕駛汽車。在整個系統(tǒng)中，攝像頭的數(shù)量可以為多個，以便對汽車周邊的影像進(jìn)行全方位無死角地采集。另外，系統(tǒng)的顯示器可以為液晶顯示器，其還可以配備有揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，以便進(jìn)行錄音和放音，從而實現(xiàn)駕駛員與汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的互動。在倒車?yán)走_(dá)工作工程中，顯示器可通過不同顏色的變換來警告危急程度，聲音提示則會通過急促程度的不同來警告駕駛員及時停車。

1.2 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)早期大多采用紅外線的發(fā)射與接收原理，紅外線技術(shù)具有安全性高、靈敏度高、簡單高效等優(yōu)點。但其最大的缺點是抗干擾能力差，由于干擾的影響，整個系統(tǒng)的警示音常呈現(xiàn)不穩(wěn)定的亂鳴狀態(tài)。更糟糕的是，無論是紅外線發(fā)射器或接收器，只要任何一方被一層薄薄的冰雪或泥塵覆蓋，系統(tǒng)就會失效。另外，市面上還出現(xiàn)了一種電磁感應(yīng)倒車?yán)走_(dá)。其布放在汽車的保險杠上，以此感應(yīng)周圍是否有障礙物。這種倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)價格適中，而且可以做到隱私性比較好。但是其安裝較復(fù)雜，而且只能檢測動態(tài)障礙物。換句話說，如果汽車處于停止?fàn)顟B(tài)，那么車后的靜止障礙物將不能被檢測。此種裝置價格中等，并且完全隱密，但可惜的是，安裝時必須卸下保險杠，而且只能探測動態(tài)物品，當(dāng)車在后退行進(jìn)時，可探測到物體，但車一旦停止后退行進(jìn)，則任何物體都不被認(rèn)可。

2 超聲波技術(shù)

2.1 超聲波技術(shù)原理和應(yīng)用

超聲波具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦浴凵洌瓷?，干涉，衍射和散射。由于超聲波指向性?qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。當(dāng)超聲波技術(shù)應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中時，其利用超聲波的反射特性，當(dāng)車輛后退到達(dá)危險距離時，超聲波測距傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并通過LED顯示出來，經(jīng)過主機(jī)對信息的分析和處理之后，系統(tǒng)能發(fā)出報警聲，進(jìn)而提醒駕駛?cè)藛T，起到安全的作用。利用超聲波進(jìn)行檢測往往比較迅速、方便并且計算簡單。

3 基于超聲波技術(shù)的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)總體方案設(shè)計

總體設(shè)計要求：

（1）測量范圍0.02 m～4 m;（2）測量精度1 cm;（3）數(shù)碼管顯示測量結(jié)果;（4）可以設(shè)置報警值，且報警值可以斷電保存;（5）當(dāng)小于報警值時，可以進(jìn)行聲光報警。

系統(tǒng)框圖如下：

3.2 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.2.1 控制芯片的選擇

方案一：DSP作為系統(tǒng)控制器。DSP是一種特殊的微處理器，它是通過數(shù)字信號去處理大量信息。雖然DSP擁有很多的優(yōu)點，但是它的缺點更突出，其硬件電路復(fù)雜，并且價格高昂，有源器件一定會存在與數(shù)字系統(tǒng)中，所以在可靠性的方面要遜色于無源設(shè)備。

方案二：單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)不僅有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，優(yōu)秀的性價比，而且它的電壓非常低、耗能也不大，既環(huán)保又安全。正是這種優(yōu)點，單片機(jī)技術(shù)得到了快速發(fā)展和被廣泛推廣的機(jī)會。不僅如此，單片機(jī)的計算能力強(qiáng)，還可以通過軟件編程讓單片機(jī)實現(xiàn)各種各樣的邏輯功能。

通過對兩種方案的對比，選用方案2?？刂破鬟x用STC89C52單片機(jī)。

3.2.2 超聲波模塊的選擇

方案一：使用分立元件。

方案二：使用市場中流行的HC-SR04超聲波模塊。

方案比較：方案一，每個模塊都是用分立元件搭建的，但是由于沒有超聲波調(diào)試的儀器，實際操作難度大，尤其后期的調(diào)試。方案二中，HC-SR04模塊有著以下優(yōu)點：售價低廉，質(zhì)量可靠，簡單方便易上手，使用在本次設(shè)計中比較適合。所以采用第二種方案。

3.2.3 其他模塊的選擇

整個系統(tǒng)的核心元件使用STC89C52單片機(jī)，搭配一些電容或者是電阻晶振等元件。而剩下的模塊則是圍繞單片機(jī)的最小化系統(tǒng)來擴(kuò)展。距離式傳感器是一種稱為HC-SR04的超聲波自動檢測控制模塊，其可以進(jìn)行對距離的測量;顯示模塊被稱為數(shù)碼管，負(fù)責(zé)把所有被測量的距離都顯示了出來;按鍵控制模塊主要功能就是負(fù)責(zé)對報警值進(jìn)行設(shè)定;報警電路可以使用蜂鳴器和led來控制完成。當(dāng)一個測量數(shù)據(jù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個報警數(shù)據(jù)值的時候，就會自行啟動報警;電源模塊，通過使用5V的USB來完成供電功能。另外，使用便攜式移動電源同樣可以完成供電的功能。

3.3 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.3.1 主程序流程

主程序的設(shè)計思想是超聲波發(fā)射器先發(fā)射一連串40 kHz的方波，然后自動檢測是否有信號返回。首先進(jìn)行數(shù)碼管的初始化，包括數(shù)碼管功能的初始化和數(shù)碼管內(nèi)容的初始化。然后就進(jìn)入了一個無限循環(huán)的整個過程。循環(huán)中的第一個日常任務(wù)是運(yùn)行超聲波控制模塊，根據(jù)數(shù)碼管顯示測量距離，然后判斷測量距離是否低于設(shè)定值。如果該值低于規(guī)定值，將啟動聲光報警。執(zhí)行完第一個日常任務(wù)后，啟動按鍵掃描器，區(qū)分是否有按鍵被按下，如果有則進(jìn)入設(shè)置報警值的實際操作。至此，一個循環(huán)的整個過程就完成了，再次進(jìn)入循環(huán)進(jìn)行下一輪的間隔檢查和按鍵掃描。對于距離的計算可以通過計算子程序進(jìn)行，如果距離小于等于1.00 m時，發(fā)光二極管發(fā)光，并在LED數(shù)碼管上顯示距離;如果距離小于等于0.30 m時，響鈴，發(fā)光二極管發(fā)光;并在LED數(shù)碼管上顯示距離。

3.3.2 超聲波模塊程序

超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P0.2端口發(fā)送若干個超聲方波脈沖信號，其頻率約為40 kHz，脈沖寬度為12 μs左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。主程序利用為中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（P0.1引腳出現(xiàn)高電平），立即進(jìn)入中斷程序。超聲波發(fā)射程序比較簡單，主要包括T0斷服務(wù)程序和超聲波接收中斷服務(wù)程序。

3.3.3 其他軟件程序模塊

除了超聲波模塊程序之外，系統(tǒng)的其他軟件程序模塊還包括顯示子程序、報警子程序、按鍵子程序等軟件模塊。由于C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，而超聲波測距儀的程序有較復(fù)雜的計算（計算距離時），所以主程序和上述子程序模塊均可采用C語言編程。

4 調(diào)試與結(jié)果

4.1 通電前檢查及通電觀察

首先對照電路原理圖檢查電路中接線是否正確。在確保整個電路沒有任何安裝錯誤后，接通電源。觀察電路中各個元器件是否正常地在工作。如果出現(xiàn)了問題，立即關(guān)閉電源。經(jīng)過重重排查找到問題所在，并將其解決后，再次按著上述方法進(jìn)行通電測試。

4.2 單元電路調(diào)試

動態(tài)調(diào)試是檢測單元中各種指標(biāo)，查看這些指標(biāo)有沒有符合設(shè)計要求。將獲得的各種數(shù)據(jù)結(jié)果與最初設(shè)計的指標(biāo)進(jìn)行比較分析，以最終所得出的結(jié)論為基礎(chǔ)，對電路以及一些參數(shù)進(jìn)行一些必要的修正。

4.3 整機(jī)聯(lián)調(diào)

調(diào)整了各個模塊電路的參數(shù)后，還要對其整體性能做進(jìn)一步測試，以便觀察并準(zhǔn)確測量動態(tài)特性。將檢測結(jié)果與設(shè)計方案指標(biāo)值進(jìn)行比較，如果有錯誤，找出現(xiàn)有的不足并找到解決方案，直到符合實際設(shè)計方案。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計分析，可以看出將超聲波技術(shù)應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，可以使得倒車系統(tǒng)更加高效，并且成本較低，實現(xiàn)方案簡單。

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