杜俠 焦國(guó)太 秦棟澤 張樹云 梁震

1、山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、山西中煤平朔集團(tuán)有限公司

引言

目前，交通運(yùn)輸車輛不斷增多，所產(chǎn)生的交通問(wèn)題也日益突出，其中倒車碰撞事故占有很大一部分比例。作為一種提高車輛駕駛安全性的重要設(shè)備——倒車?yán)走_(dá)，得到了人們普遍的使用。本文設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)測(cè)距系統(tǒng)是利用超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)而成的，相比于熱感應(yīng)測(cè)距和紅外線測(cè)距，其使用更加方便，且測(cè)距精準(zhǔn)，原理簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，具有更大的集成開發(fā)空間。

1 電路設(shè)計(jì)的整體思路

整個(gè)倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具體分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)距模塊、危險(xiǎn)警示模塊和穩(wěn)壓電源模塊五大部分。通過(guò)相關(guān)的硬件測(cè)試和軟件調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了倒車?yán)走_(dá)危險(xiǎn)預(yù)警等顯示功能。

整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指用最少的元器件組成的單片機(jī)可以基本工作的系統(tǒng)。對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō)，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。

2.1.1 晶振電路

單片機(jī)最小系統(tǒng)中的晶振電路，全稱為“晶體振蕩電路”，一般由晶振和部分電容構(gòu)成。本次系統(tǒng)的晶振電路使用12MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只需要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)瓷片電容即可，電容容量一般在15pf至50pf之間，如圖2所示。

圖2 晶振電路

2.1.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

為了兼顧自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的要求，本設(shè)計(jì)將該系統(tǒng)的上電復(fù)位電路和手動(dòng)復(fù)位電路結(jié)合在了一起，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)復(fù)位操作和特殊情況下用戶的手動(dòng)復(fù)位操作。需注意的是，復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容。單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源入口處，并聯(lián)一個(gè)100uf的電解電容和一個(gè)0.1uf的瓷片電容，用來(lái)濾波，以清除影響其正常工作的有害信號(hào)。系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的復(fù)位電路

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力很弱，所以本系統(tǒng)采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為保證小車具有強(qiáng)勁的動(dòng)力，采用了兩個(gè)L298N芯片來(lái)分別驅(qū)動(dòng)小車左右兩個(gè)電機(jī)。并且選用8個(gè)整流二極管IN4007組成該電路釋放感生電流的通道，對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路起到過(guò)流保護(hù)的作用。如圖4所示。

2.3 超聲波測(cè)距模塊

本設(shè)計(jì)采用HC-SR04型超聲波傳感器作為系統(tǒng)的超聲波收發(fā)裝置，該測(cè)距模塊具有2～400cm的非接觸式距離感測(cè)能力，測(cè)距精度可達(dá)到3mm。該模塊上電后，單片機(jī)引腳輸出高電平給控制信號(hào)輸入端TRIG至少10μs的時(shí)間，模塊將發(fā)送一組8個(gè)40KHz的方波信號(hào)，并將回波信號(hào)輸出端ECHO電平置高，同時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，若有信號(hào)返回，則回路信號(hào)輸出端ECHO輸出低電平，所以高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。單片機(jī)通過(guò)對(duì)該時(shí)間的測(cè)量，就可以測(cè)算出超聲波傳感器與障礙物之間的距離，計(jì)算公式為：

其中S為距離；t為高電平持續(xù)時(shí)間；v為聲速（340m/s）。

2.4 危險(xiǎn)警示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的聲光報(bào)警元器件采用發(fā)光二極管和蜂鳴器。考慮到單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力很弱，所以還需要設(shè)計(jì)一個(gè)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，用三極管S8550來(lái)放大電流使其發(fā)聲，電路如圖5所示。

圖5 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

2.5 穩(wěn)壓電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用額定電壓為12V的充電電池作為電源，并且分為兩部分進(jìn)行供電，一部分以12V電壓提供給L298N芯片輸出以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，另一部分經(jīng)過(guò)降壓穩(wěn)定在5V，以提供給各個(gè)模塊正常工作。在芯片的輸入、輸出與地之間接入大小不同的三個(gè)濾波電容C1、C2、C3以輸出標(biāo)準(zhǔn)的5V電壓保證7805芯片工作穩(wěn)定需要，如圖6所示。

圖6 LM7805 芯片穩(wěn)壓電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

分析該倒車?yán)走_(dá)測(cè)距系統(tǒng)工作過(guò)程，軟件要實(shí)現(xiàn)的功能包括以下幾個(gè)方面：

（1）使用PWM脈沖寬度調(diào)制的方法來(lái)控制小車的移動(dòng)（電機(jī)的轉(zhuǎn)速）；

（2）觸發(fā)超聲波測(cè)距模塊產(chǎn)生超聲波，并檢測(cè)回波信號(hào)輸出端的實(shí)時(shí)信號(hào)；

（3）通過(guò)回波信號(hào)計(jì)算車體與障礙物之間的距離值；

（4）通過(guò)液晶屏1602A來(lái)顯示該距離值；

（5）觸發(fā)危險(xiǎn)警示模塊發(fā)出聲光報(bào)警。

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)論

本文對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證，詳細(xì)地介紹了各個(gè)模塊的功能、組成及其工作原理，并闡述了整個(gè)軟件編寫的程序內(nèi)容。雖然倒車?yán)走_(dá)測(cè)距系統(tǒng)給我們帶來(lái)了很大的方便，但是因?yàn)槔走_(dá)探測(cè)存在盲區(qū)，也會(huì)給駕駛?cè)藛T帶來(lái)一些不可避免的困難。所以在未來(lái)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研制方面，要更大程度地利用科學(xué)技術(shù)，對(duì)于低矮的障礙物，要增大探頭的探測(cè)角度，實(shí)現(xiàn)車后全方位的探測(cè)，對(duì)于過(guò)于細(xì)小的障礙物，要增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)較小反射信號(hào)的捕捉能力，以最大程度地幫助駕乘人員倒車泊位，保證駕駛的安全性。

[1]劉海峰.汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)全接觸[J].汽車電器,2007,12：5-8.

[2]庾晉,周潔.透視汽車倒車?yán)走_(dá)[J].汽車運(yùn)用,2004.01：32-33.

[3]王紅梅.高分辨力超聲測(cè)距方法的研究[D].山東科技大學(xué),2004.

[4]張樂(lè),任國(guó)華,王省書.現(xiàn)代汽車的測(cè)距技術(shù)與應(yīng)用[J].交通與運(yùn)輸,2004,06：48-49.

[5] 李朝青. 單片機(jī)原理與接口技術(shù)（簡(jiǎn)明修訂版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

[6]朱維杰,于湘珍.基于超聲波測(cè)距的自適應(yīng)倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì) [J]. 汽車電器,2009,04：15-17.