一種應用單片機的倒車雷達預警系統設計與實現

許燕

(陜西國防工業職業技術學院 電子信息學院，陜西 西安 710300)

0 引言

隨著經濟水平的提高，汽車的數量也在不斷的增加。如今越來越多的人們將汽車作為一種代步工具，因此，對汽車的安全性能也提出了更多的需求。其中最為常見的一種需求是倒車雷達預警系統，倒車雷達預警系統通常被人們稱作是倒車雷達，它的主要作用是幫助人們完成倒車等相關操作。當汽車開始倒車時，倒車雷達將利用超聲波以及聲速的溫度補償算法來進行測距，車體到達測定范圍內時，倒車雷達將告知司機當前車體與障礙物之間的距離大小，車體與障礙物之間的距離形成危險距離時，倒車雷達預警系統將會播報具體的情況。在此篇文章中主要介紹了一種以單片機技術為主所設計的倒車雷達預警系統，此系統的主要特點為成本低，性能好，能夠滿足使用者的需求。

1 倒車雷達預警系統總體設計

本文主要設計了一種基于單片機的倒車雷達預警系統，它的整體設計思路為汽車掛上倒擋后系統會利用超聲波進行測距，若測出的距離已經對車體以及乘坐人構成危險時，則語音系統會在LED顯示屏上進行自動預警，提醒司機應注意與障礙物之間的距離，減少意外的發生。提高駕駛的安全性能。其中值得注意的是預警系統為了提高測距的準確性加入了聲速的溫度補償[1]。其具體的操作系統結構圖如圖1所示。

圖1 雷達預警系統結構框圖

2 以單片機為主的倒車雷達預警系統硬件設計

超聲波測距的電路模塊主要利用超聲波的發送和接收電路進行測距操作，其測距大小準確，差錯極少，單片機的控制電路模塊的主要作用為穩定時鐘的頻率，其成本低廉，操作簡單[2-3]。

2.1 超聲波測距電路模塊

2.1.1 超聲波發送電路

超聲波發送器主要指的是超聲波以及相關設備的發送器，它主要由兩方面構成。包括超聲波的產生電路以及超聲波的發射電路。超聲波的信號是由軟件以及硬件的共同作用下產生的。

其中軟件發生法是使用軟件發出40 kHz的超聲波信號，即為運用軟件產生法形成超聲波信號的過程。此方法的特點為具有極強的開放性和靈活性，作為主要軟件，操作較為方便[4]。

其中硬件產生法是使用系統通常所用的電路或較為特殊的電路等來產生超聲波信號，即為運用硬件產生法形成超聲波信號的過程。此方法的特點為轉換效率高、時速快、無需驅動。但靈活性較差，操作難度大。

由上文可以得出，本文的設計使用方法為軟件發生法，它主要是由軟件產生信號后經由引線末端輸出，利用了驅動系統由此進入探頭處產生超聲波，其中產生極為關鍵作用的探頭在整個設計中選用的為CSB40T。

2.1.2 超聲波接收電路

為了確保超聲波的正常接收，超聲波接收探頭應選用與超聲波發送探頭適配的產品型號，因此在此設計中采用了與 CSB40T相關聯的 CSB40R，以此發生正常的反應，達到共振效果[4]。

因使用超聲波探頭發出的超聲波信號較弱，達不到預期效果，故使用信號放大模塊來放大信號，使用4片LM324信號放大模塊來進行信號的放大處理，并將放大處理后的信號來進行轉換輸出。由圖可知，前面的三級和后面的一級分別為放大器設計以及比較器設計。其超聲波的接收電路如圖2所示。

圖2 超聲波接收電路

2.2 單片機控制電路模塊

由于系統需要單片機進行連接的線路較少，以及系統本身需要使用的功能較少，因此本設計從成本方面考慮選用了型號為AT89C2051的單片機為系統主體的重要部件。型號為AT89C2051的單片機主要有2個計數器，15個相關電路的處理端口以及20個有關于各線路的相關接線，此設計的主要特點為操作運用便捷、占用區域少、成本較低。在操作的過程中，為確保時鐘頻率的準確性以及整個操作的合理性，減少因測量失誤帶給設計的影響，因此使用了12 MHz的高精度晶振[5]。當單片機的外部處于中斷，接收不到信號需要重新申請連接時應接入單片機的P3.2端口。單片機控制電路的具體情況如圖3所示。

圖3 單片機控制電路

2.3 顯示電路模塊

本文設計使用的顯示電路液晶顯示模塊的型號為OCMJ12232C_3。其中型號為OCMJ12232C_3的液晶顯示模塊的15腳接地為按位數發送的串口通信方式。主要內容為車外的溫度和倒車時距障礙物的距離兩部分構成，其液晶顯示屏上主要分成兩行進行展示，第一行展示的是倒車時車體與障礙物之間的距離，其主要的單位為cm。第二行展示的是車外的溫度，其主要的單位為℃。

2.4 報警電路模塊

為了減少倒車事故的發生，車輛安裝了報警電路模塊，汽車掛入倒擋開始倒車后，當車體與障礙物之間到達了所設定好的危險距離時報警系統會自動響起，以此提醒司機應注意車體與障礙物之間的距離，根據實際具體的情況進行自主掌控，減少意外的發生。當車體與障礙物之間的距離未到達所設定好的危險距離時報警系統不會響起以免影響正常的倒車操作。報警電路的主要構成為一個發光二極管、一個蜂鳴器以及一些固定的外部電路。當單片機PA8口輸出較低的電率時系統會進行自動報警操作，發光二極管和蜂鳴器將會同時運行，以此達到警示駕駛員注意距離的目的，有關報警的電路模塊如圖4所示。

圖4 報警電路模塊

3 以單片機為運行主體的倒車雷達預警系統軟件設計

基于單片機的倒車雷達預警系統軟件設計主要采用了單一化和整體化2種結構類型，此設計主要運用C語言程序進行內容的編寫，設計上由4方面構成，它們分別為主體部分設計、超聲波的發送以及接收設計、報警預警設計、LED的內容顯示設計。其主體部分的設計流程如圖5所示[6]。

圖5 以單片機為運行主體的雷達預警系統軟件設計流程

其總體的設計思路為當汽車掛上倒擋后，整個系統開始運行，自動對定時器、中斷系統等各種裝置進行調試操作，待單片機經端口發出40kHz脈沖信號后，等待信號中斷，自動進行超聲波測距，并顯示測距結果，利用測距結果進行語音報警提醒，完成整套程序。這即為單片機的倒車雷達預警系統軟件部分的總體思路。

3.1 聲速的溫度補償算法

超聲波速度的傳播與環境溫度有著極大的關聯。為了減少系統的差錯，提升運行的準確程度，滿足實際生活中不同環境的測距需要，因此在硬件電路上可以將聲速的溫度補償考慮進來，增加測量外部環境溫度的環節。單片機測量出外部的實際溫度，再算出超聲波傳播的速度，由聲速的溫度補償算法C=331.4 + 0.61t進行系統的分析，在不需要其他設備成本的基礎上，推算出測量值與實際值之間的關系規律等，再對軟件系統進行操作處理減少測量值與實際值之間的差距，使數據趨于合理，以此提升測量的精準度和運行的穩定度。其聲速的溫度補償算法中的t為環境溫度。

3.2 超聲波在發射與接收方面的相關軟件

整個設計所采用的超聲波發送軟件為型號CSB40T的系統，所采用的接收軟件為與發送軟件適配的CSB40R系統，超聲波的發送以及接收軟件在測量車體與障礙物之間的距離、向外界發送信號進行通信以及定向操作上都有著不可估量的作用，它對外界發揮的作用都是極大的。整個系統的第一腳外接L1，發送電路以及接收電路等方面的運行頻率主要由C1決定，它的運行頻率為f0=1/(2×√L1C1)，通過變電感 L1電容 C1的值可以使超聲波信號的固定值40 kHz進行改變。發送以及接收電路的狀態由具體操作可以進行轉換，當CSB40T的8腳為高電平的情況下，CSB40R屬于發射狀態。當CSB40T的8腳為低電平的情況下，CSB40R屬于接收狀態。其中重要的方面是當單片機與整個系統進行連接時要進行5-12 V電平的轉換，當型號為CSB40T進行發射操作時，變感器以及電路的運行頻率轉換為振蕩操作，經振蕩操作過后的信號進行輸出，并由此驅動放大后從13腳輸出經由6腳輸出，其中3腳與6腳之間所纏繞的變換器的匝數與超聲波傳感器的阻抗有關，超聲波的接收軟件通常將接收到的超聲波信號經電容耦合后利用4腳接入，在經過放大操作后與1腳的回路形成的信號共同放進檢測器中。當系統檢測到超聲波有回波信號時，CSB40T接入的14腳將轉換為低電平，單片機的計步程序也將停止運行。以上為超聲波的發送以及接收的軟件。

3.3 語音報警程序

LED顯示電路的作用為顯示距離的大小，它主要使用2位的LED數碼管動態掃描的方式進行，系統的準確程度極高，可以精確到0.1m。語音報警程序主要利用語音播放模塊來進行人聲語音報警，主要在以下4種情況下進行語音報警。第一種為超聲波探頭檢測到車體離障礙物的距離小于5m的情況下，語音系統自動開啟進行播報，提醒司機車體與障礙物之間的距離大小。第二種為超聲波探頭檢測到車體離障礙物的距離小于3m的情況下，語音系統將提醒司機注意安全且將會向司機播報車體與離障礙物之間的距離。第三種為測試時發現車輛本身與障礙物的距離小于1.5m，在此種情形下，語音系統將提示司機車體離障礙物的距離并告知已經達到危險距離，應小心進行操作，防止意外的發生。第四種為檢測系統在預知整體的距離小于0.3m的情況下，語音系統將不會告知司機離障礙物的距離，而是不斷播報停車提醒，以引起司機的注意并進行立即停車操作，語音報警系統的程序選用來自華邦公司的型號為ISD2560的芯片，它可以利用說明書上的方法根據實際使用的需要來進行錄收音的設置，并利用語音的更改來錄入需要的報警提醒，使用單片機的主程序對更改后的語音報警系統進行驅動處理，將放音地址與實際需求地址適配，以此來告知司機達到預警效果。

4 系統技術測試

倒車雷達預警系統設計完成后，需對整套操作進行測試檢驗，以此驗證此設計是否具有可操作性和實用性。在操作時需要利用Proteus以及KEIL軟件來仿真處理，仿真處理后進行實物仿照，仿照后進行測試，測試場地應選用較為空曠的地域，將汽車掛上倒擋，進行倒車操作，利用汽車倒車雷達測距逐漸接近障礙物，注意是否能夠滿足設計需求[7]。測試具體結果及其距離大小如表1所示。

表1 雷達預警系統測試結果

由測試結果可知，倒車雷達預警系統能夠滿足此設計的需求，測試時能夠準確地反映車體離障礙物之間的距離大小，語音預警時間合理，可以給司機充足的時間進行反應，達到了預期的設計目標。

5 總結

本文的設計主要由倒車雷達預警系統的硬件和軟件兩方面構成，利用了超聲波和聲速的溫度補償算法來進行測距，利用了語音報警程序來提示司機注意車體與障礙物之間的距離，其整套設計可操作性和實時性強，在內容上具有延展性，出錯率低，系統的成本也較低，測量精度高，反應靈敏迅速，能夠滿足使用者的實際需要。從系統自身的角度來看，整套操作簡單，便于司機進行倒車操作，對于汽車技術的發展具有很強的推動作用。從經濟日趨發展的角度來看，這套設計能夠滿足使用者的需求。因此該系統具有一定應用價值，能夠推動整個汽車行業的長足發展。