倒車雷達防撞系統的設計

李紅嶺，張華，賈尚云，楊梅，高曉陽

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農業大學 機電工程學院 ）

0 引言

隨著汽車數量逐年增加，原來空曠的路邊被各種私家車擠滿，停車位置變得越來越少，停車場地越來越擁擠。很多時候的停車位前后都停有車，并且兩車中間的距離對于停車來說也非常逼仄，這種情況就非常考驗駕駛員的技術和經驗。在停車過程中，駕駛員不僅要觀察與后面車輛的距離，更是要留意與前車的距離，這就分散了駕駛員的注意力，一不小心就會發生剮蹭事故，整個倒車過程對駕駛員來說勞力傷神。本文結合智能化技術，設計了電路簡單、成本較低、功能實用的倒車雷達系統，為駕駛員尤其經驗不足的駕駛員停車困難問題提供了解決方案。

1 設計方案

本次設計以低成本、低功耗的AT89C52 單片機作為系統的控制中心[1]，對系統的各個電路進行協調和控制。系統主要是由單片機最小系統、超聲波測距模塊、顯示電路和語音播報電路、溫度傳感器、按鍵等幾部分組成，系統框圖如圖1 所示。超聲波的發射與接收選用諧振頻率為40 kHz 的HC-SR04 超聲波集成模塊，此電路的優點在于所需外圍元件少、電路簡單、具有非常好的穩定性以及很強的可靠性；液晶顯示屏選用LCD1602，該顯示屏價格便宜，電路連接簡單，用于顯示車身與障礙物間的距離；語音播報電路采用NV02C 芯片來實現，可以在倒車過程中很好地進行實時語音提示[2-5]。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

2 硬件電路設計

2.1 單片機最小系統設計

單片機最小系統的原理圖如圖2 所示，主要是由單片機控制、復位電路、晶振電路3 部分構成。單片機是整個倒車雷達的中心，本設計選擇的是由ATMEL 公司生產的高性能、低功耗、低成本的8 位集成單片機AT89C52。復位電路相當于單片機的重啟系統，在單片機發生跑飛時，按下復位按鈕單片機開始重啟，結束跑飛。晶振電路主要產生振蕩脈沖，控制單片機有節奏地工作。

圖2 單片機最小系統接口電路Fig.2 Minimum system interface circuit of single chip microcomputer

2.2 超聲波測距電路

該模塊電路主要通過超聲波傳感器發送和接收超聲波[6]，來檢測駕駛員在倒車時汽車車身與障礙物之間的距離，并將檢測到的信號傳送到單片機中進行處理和輸出。集成的超聲波測距芯片HC-SR04，其測距電路都集成在一個芯片上，可以讓系統變得更為簡單。該芯片集成了超聲波的發射器、接收器和控制電路，性能優越，價格便宜，在工作時只需要接收到一個10 μs 的高電平信號，該模塊就會開始工作。而且該模塊采用分體式的探頭，發射探頭和接收探頭之間有一定的距離，使得該超聲波傳感器的盲區比一體式探頭的超聲波傳感器要小很多。與單片機的接口電路如圖3 所示。

圖3 超聲波測距電路Fig.3 Circuit of ultrasonic ranging

2.3 語音提示電路

語音模塊電路如圖4 所示，主要是對車身與障礙物之間的距離進行播報，通過語音提示讓駕駛員更清楚地了解車輛后方的狀況，讓駕駛員對車輛與障礙物的距離有更直觀的了解，以達到降低倒車難度的目的。倒車雷達系統中語音播報系統的出現，從根本上改變了人們倒車的方式，從原來的只能從視覺上獲取車輛后方信息，變成了現在的眼耳并用的方式，一定程度上提高了駕駛員在倒車過程中遭遇意外時的反應速度。

圖4 語音提示電路Fig.4 Circuit of voice prompt

2.4 溫度測量電路

不同溫度下超聲波在空氣中的傳播速度是不相同的，如果采用定值計算[7]，如式（1）：

式中：s——車身與障礙物的距離，m；T——溫度傳感器測得的當前環境的溫度，℃；t——測得超聲波的往返時間，s。

在環境溫度與標準溫度差距較大時，系統測得的距離上的誤差也會跟著變大。本系統采用具有小體積、精度高、電路簡單等優點的DS18B20溫度傳感器，與單片機接口電路如圖5 所示。

圖5 溫度測量電路Fig.5 Circuit of temperature measurement

2.5 報警距離調節電路

本系統只設計了3 個按鍵，分別用來實現“設置”“加”“減”的功能，能夠自行根據不同環境和條件對安全距離進行調整，設計語音提示距離。這3 個按鍵一端與單片機的P3.2，P3.3，P3.4 引腳相連，一端接地。與單片機的連接圖如圖6 所示。

圖6 報警距離調節電路Fig.6 Circuit of alarm distance adjustment

2.6 顯示電路

顯示模塊電路是倒車雷達系統中的一個重要輸出部分，主要用來顯示障礙物與車身間的距離。倒車時配合語音報警模塊一起使用，能夠給予駕駛員很大的幫助。本設計選用功耗低、質量輕、體積小、對比度和色彩飽和度都非常好的LCD1602 顯示屏，與單片機的接口電路如圖7所示。

圖7 顯示電路Fig.7 Display circuit

3 軟件設計

采用模塊化編程，主程序流程圖如圖8 所示。包括：初始化程序——主要對液晶顯示屏和定時器進行初始化；溫度采集程序模塊——主要采集環境的溫度，使得單片機根據當前溫度計算出超聲波在空氣中的傳輸速度；超聲波測距程序模塊——主要測量車身與障礙物間的距離；顯示程序模塊——主要顯示當前環境溫度和車身與障礙物間的距離；判斷程序模塊——判斷是否到達語音提示距離及語音警示距離；按鍵程序模塊——主要設置語音警示值。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow chart of main program

4 系統調試

經過電路焊接，制作出倒車雷達測試系統并進行聯機調試，如圖9 所示，若按鍵設定的報警距離是0.4 m，當超聲波模塊距離障礙物小于0.4 m時，語音會連續提示“停車”，距離障礙物1.6 m 內，每縮小0.2 m 會提示與障礙物間的距離一次。

圖9 聯機調試Fig.9 Online debugging

5 結語

本設計基本完成了倒車雷達所需要的所有功能。設計中還加裝了溫度監測系統，能夠讓系統在運行過程中根據所處的環境溫度，自動調整超聲波在空氣中傳播的速度參數，提高了整個系統的精確度，減小了在障礙物距離測量上的誤差。整個系統功能齊全、電路簡單、測量精度高、成本低廉、使用方便，完全滿足了駕駛員在倒車過程中所需求的功能。