呂德深，梁承權(quán)

（1. 華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006；2. 南寧學(xué)院，南寧 530200）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人民生活水平不斷提高，私家車(chē)的數(shù)量大幅度增加，造成道路擁擠，交通事故頻頻發(fā)生，對(duì)人們生命造成嚴(yán)重的威脅，給人們財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。安全駕駛成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其中汽車(chē)防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)顯得非常重要與迫切。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)一種汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距原理，在車(chē)輛行駛時(shí)自動(dòng)檢測(cè)前方的車(chē)距[1]和相對(duì)速度并通過(guò)液晶顯示，同時(shí)根據(jù)車(chē)距和相對(duì)速度通過(guò)聲光報(bào)警電路發(fā)出預(yù)警信號(hào)，實(shí)時(shí)提醒駕駛員安全駕駛。

1 超聲波測(cè)距測(cè)速原理

超聲波是一種頻率高于20000赫茲的機(jī)械波，指向性強(qiáng)，能量消耗慢，常溫下在空氣中的傳播速度為 v0= 3 40m/s。超聲波測(cè)距原理如圖1所示，其在空氣中傳播的距離L：

式中t為超聲波在空氣中的傳播時(shí)間。

由圖1中的三角形關(guān)系可知：防撞報(bào)警系統(tǒng)與障礙物之間的距離d：

式中S為報(bào)警系統(tǒng)中超聲波發(fā)射頭與接收頭之間的距離。

超聲波在空氣中傳播速度v0受溫度影響較大，所以必須考慮溫度對(duì)速度的影響，速度與溫度的關(guān)系為：

式中T為防撞報(bào)警系統(tǒng)的環(huán)境攝氏溫度[2]。

由式(1)、(2)、(3)可知，考慮了溫度影響后，報(bào)警系統(tǒng)與障礙物之間的距離d：

圖1 超聲波測(cè)距原理圖

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主控制電路、超聲波發(fā)射與接收電路、溫度測(cè)量電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警提示電路等組成。主控制電路是該汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)產(chǎn)生超聲波發(fā)射電路所需的40KHz方波信號(hào)；同時(shí)對(duì)超聲波接收電路檢測(cè)分析的回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理。溫度測(cè)量電路主要采集環(huán)境溫度，對(duì)超聲波速度進(jìn)行校正，提高測(cè)量精度。所測(cè)量的溫度、距離、速度等信息最終通過(guò)液晶顯示出來(lái)，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)所得的距離和相對(duì)速度進(jìn)行控制聲音報(bào)警提示電路和LED狀態(tài)提示電路，達(dá)到提醒駕駛員安全駕駛的目的。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制電路設(shè)計(jì)

主控制電路一方面負(fù)責(zé)產(chǎn)生超聲波發(fā)射電路所需的超聲波信號(hào)；另一方面對(duì)超聲波接收電路的回波信號(hào)進(jìn)行處理，并控制聲光報(bào)警電路進(jìn)行預(yù)警提示。

系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為主控制器。該單片機(jī)采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，內(nèi)含4K的flash，256字節(jié)的RAM，四組8位的IO口，2個(gè)外部中斷，2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器和一個(gè)串行中斷[3]。本系統(tǒng)主控制電路主要包括AT89C51單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等，其電路如圖3所示。

圖3 主控制電路圖

3.2 超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)

發(fā)射電路與接收電路在距離測(cè)量中至關(guān)重要。發(fā)射電路功率較小，或者頻率不對(duì)，接收電路將難以接收到回波；接收電路放大倍數(shù)不夠，或者周?chē)h(huán)境干擾太大，容易造成接收不到回波信號(hào)或接收錯(cuò)誤回波信號(hào)。

3.2.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波產(chǎn)生的方式主要有：電氣方式和機(jī)械方式，本系統(tǒng)采用電氣方式的壓電型超聲波傳感器，其主要利用壓電晶體諧振工作，超聲波發(fā)射電路如圖4所示。單片機(jī)由定時(shí)器產(chǎn)生40KHz的方波信號(hào)經(jīng)74HC04后送入轉(zhuǎn)換器，最終以超聲波形式發(fā)射出去。

圖4 超聲波發(fā)射電路

3.2.2 超聲波接收電路

由于超聲波在空氣中傳播受到空氣阻礙作用，距離越遠(yuǎn)，反射回來(lái)的回波越弱。因此，接收到的回波信號(hào)必須進(jìn)行放大、濾波、整形等處理。為了使電路簡(jiǎn)單可行，綜合各方面考慮，本系統(tǒng)采用CX20106A為接收電路的核心器件[4]，其芯片及外圍電路如圖5所示。CX20106A是索尼公司生產(chǎn)的一款紅外解碼芯片，解碼中心頻率由R14阻值決定，其內(nèi)部集成了前置放大、限幅放大、寬頻帶濾波器、檢波及比較器、整形、滯后比較器等電路。系統(tǒng)采用CX20106A，大大降低了接收電路的復(fù)雜程度。

圖5 超聲波接收電路

3.3 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

由于超聲波在空氣中傳播的速度受溫度影響較大，在溫度變化較大的場(chǎng)合必須考慮溫度對(duì)速度的影響[5]。為了得到較高精度的溫度，系統(tǒng)使用DALLAS公司的單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。其優(yōu)勢(shì)明顯：抗干擾能力較強(qiáng)；外圍電路較少，只需一個(gè)10kΩ的上拉電阻；單片機(jī)只需一個(gè)IO口就可對(duì)其讀寫(xiě)。DS18B20傳感器的電路如圖6所示。

圖6 DS18B20測(cè)溫電路

3.4 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電子設(shè)備通常采用LED數(shù)碼管顯示，其亮度高、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)卻很明顯，顯示內(nèi)容較少、線(xiàn)路復(fù)雜，部分應(yīng)用領(lǐng)域已被近年興起的LCD液晶逐步取代。LCD液晶顯示內(nèi)容豐富、亮度均勻、性?xún)r(jià)比較高。本系統(tǒng)采用LCD12864液晶對(duì)溫度、距離、速度、提示語(yǔ)進(jìn)行顯示。其電路接口如圖7所示。

圖7 LCD12864顯示電路

3.5 報(bào)警提示電路設(shè)計(jì)

該防撞報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警提示電路如圖8所示。當(dāng)報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物距離大于5米并相對(duì)速度小于1m/s時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器關(guān)閉，綠色LED亮，液晶上顯示“安全”字樣；否則，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，紅色LED開(kāi)始閃爍，液晶屏上顯示“危險(xiǎn)”字樣；同時(shí)，距離越小，相對(duì)速度越大，報(bào)警聲音頻率越高，紅色LED閃爍越快，從而起到提示駕駛員注意保持車(chē)距安全駕駛的作用[6]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 總體軟件設(shè)計(jì)

該防撞報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：超聲波信號(hào)產(chǎn)生子程序、超聲波接收中斷和超時(shí)中斷子程序、溫度測(cè)量子程序、液晶顯示子程序、預(yù)警處理子程序、距離修正子程序。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。系統(tǒng)一開(kāi)始進(jìn)入初始化程序，包括LCD12864初始化、外部中斷與定時(shí)器中斷初始化、單片機(jī)IO口初始化等。單片機(jī)發(fā)送10個(gè)40KHz的方波后，單片機(jī)等待外部中斷或定時(shí)器中斷的發(fā)生。若單片機(jī)發(fā)生定時(shí)器中斷，變量Test=2，說(shuō)明超聲波接收超時(shí)，此時(shí)定時(shí)器數(shù)據(jù)無(wú)效。若單片機(jī)接收回波的IO口P3.2發(fā)生外部中斷，Test=1，此時(shí)讀取定時(shí)器寄存器TH0、TL0的值，即可得到（4）式中的t，并根據(jù)t計(jì)算出報(bào)警系統(tǒng)與障礙物間的距離d。

圖8 報(bào)警提示電路

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)修正處理

超聲波反射的回波有一定的離散性，為了克服偶然誤差，得到更精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，系統(tǒng)采用遞推中位值平均濾波法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。該方法是采用軟件濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正：采用遞推的方法對(duì)每個(gè)測(cè)距點(diǎn)連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該測(cè)距點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。這樣的處理能夠克服偶然引起的脈沖性干擾，消除脈沖干擾引起的采樣值偏差，使測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠[7]。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案和程序設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試和硬件測(cè)試。

5.1 系統(tǒng)仿真及測(cè)試

5.1.1 Proteus軟件介紹及仿真元件創(chuàng)建

Proteus是一款非常出色的EDA工具，能夠?qū)ΤＲ?jiàn)的元器件進(jìn)行準(zhǔn)確仿真。該軟件和大多數(shù)仿真軟件一樣，可進(jìn)行元件創(chuàng)建及層次原理圖的設(shè)計(jì)。Proteus元件庫(kù)中沒(méi)有超聲波發(fā)射和接收電路，故本文主要通過(guò)自制元件生成相應(yīng)的電路。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：1）利用常用工具箱中的2D Graphics Line Mode和Device Pins Mode工具繪出整個(gè)線(xiàn)路連接圖；2）利用Make Device工具將線(xiàn)路連接圖組合成單一的元件；3）編輯元件的子原理圖。

本系統(tǒng)的超聲波發(fā)射接收模塊元件如圖10所示，其子原理圖是由NE555組成的單穩(wěn)型壓控振蕩器，如圖11所示。當(dāng)單片機(jī)發(fā)送40KHz的脈沖到NE555的2腳時(shí)，觸發(fā)壓控振蕩器工作，此時(shí)3腳輸出一定脈寬的方波，調(diào)節(jié)5腳電壓可輸出不同占空比，即實(shí)現(xiàn)了不同距離的調(diào)節(jié)。

圖10 超聲波發(fā)射接收電路線(xiàn)路圖

圖11 超聲波發(fā)射接收 電路的子原理圖

5.1.2 系統(tǒng)仿真測(cè)試

系統(tǒng)仿真如圖12所示，調(diào)節(jié)圖中的RV1可實(shí)現(xiàn)模擬不同距離的測(cè)量。

仿真測(cè)試實(shí)現(xiàn)了：1）環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量及修正；2）兩車(chē)間距離、相對(duì)速度的顯示；3）根據(jù)距離與相對(duì)速度判斷車(chē)輛是否在安全范圍內(nèi)，并給出相應(yīng)的聲音報(bào)警和LED提示。

圖12 系統(tǒng)仿真原理圖

5.2 系統(tǒng)硬件測(cè)試與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了如圖13所示的實(shí)物，并進(jìn)行不同距離和相對(duì)速度的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：1）當(dāng)距離大于5m且相對(duì)速度小于1m/s時(shí)，綠色LED亮，液晶屏給出安全提示；否則，液晶屏給出危險(xiǎn)提示，并且紅色LED閃爍、蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。2）實(shí)際距離越大，偏差越大。在10m范圍內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，能很好地提醒駕駛員安全駕駛，超出10m系統(tǒng)誤差大。

報(bào)警系統(tǒng)與障礙物的實(shí)際距離較大時(shí)，反射的回波較弱，容易受周?chē)h(huán)境影響而導(dǎo)致偏差較大，但相對(duì)誤差較小。

圖13 系統(tǒng)實(shí)物圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)采用AT89C51為主控器，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的超聲波測(cè)距、測(cè)速，并將所測(cè)距離和相對(duì)速度顯示，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)距離和相對(duì)速度判斷汽車(chē)是否在安全范圍內(nèi)，若不在安全范圍內(nèi)系統(tǒng)將進(jìn)行聲音報(bào)警和LED狀態(tài)提示。系統(tǒng)進(jìn)行了Proteus仿真和硬件測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和可靠性，此外，系統(tǒng)成本低，使用方便，能有效提醒駕駛員小心、安全駕駛，避免汽車(chē)相撞事故的發(fā)生，具有較大的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。

[1] 王業(yè)琴.基于AT89C52單片機(jī)的煤礦電機(jī)車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2013,34(3):248-250.

[2] 卜英勇,王紀(jì)嬋,趙海鳴,等.基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007,(3):66-68.

[3] 李錄鋒.基于AT89C51超聲波測(cè)距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(4):45-47.

[4] 秦偉,顏文俊.基于CX20106A的超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光,2011,33(1):161-164.

[5] 蘇煒,龔壁建,潘笑.超聲波測(cè)距誤差分析[J].傳感器與微系統(tǒng),2004,23(6):8-11.

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[7] 張俊.匠人手記[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.