孟美含，趙存睿，劉 鵬

（泰山科技學(xué)院 智能工程學(xué)院，山東 泰安 271000）

0 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）統(tǒng)計，2022 年全球因交通事故引發(fā)傷亡人數(shù)至少160 萬人。其中，約50 萬人因車輛視野盲區(qū)問題造成事故[1]。因此，為更好地保護生命財產(chǎn)安全，減少車輛視野盲區(qū)成為當(dāng)前急需研究解決的重要內(nèi)容。

車輛視野盲區(qū)是因車輛固有結(jié)構(gòu)導(dǎo)致駕駛員車內(nèi)視野受到引擎蓋、后備箱、車柱等遮擋，從而出現(xiàn)無法觀測區(qū)域。其存在問題短時間內(nèi)不易改變，但可以通過技術(shù)手段使駕駛員獲得盲區(qū)內(nèi)信息，從而達(dá)到消除視野盲區(qū)的效果[2-6]。但目前有關(guān)視野盲區(qū)消除的產(chǎn)品普遍存在有效范圍小、使用場景有限及產(chǎn)品價格高昂等問題[7-10]。

針對以上問題，本文設(shè)計一種以單片機為控制核心，利用超聲波的優(yōu)異特性，通過分布式安裝多個超聲波監(jiān)測單元對盲區(qū)進行無死角覆蓋，實現(xiàn)多維度車周環(huán)繞的視野盲區(qū)消除并具有報警功能的裝置。

1 裝置總體設(shè)計與工作流程

本文設(shè)計的分布式車輛盲區(qū)消除裝置以AT89C52單片機為核心，控制監(jiān)測模塊與上位機模塊兩部分。實現(xiàn)盲區(qū)障礙物距離監(jiān)測與遠(yuǎn)程報警控制功能。裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

該裝置的監(jiān)測模塊由一個可覆蓋約15°～30°的視野區(qū)域的超聲波單元、AT89C52 單片機核心、nRF24L01 從端組成。上位機模塊由AT89C52 單片機、nRF24L01 主端、PC 顯示屏、蜂鳴報警器與燈光報警器組成。裝置總電路原理如圖2 所示。

圖2 裝置電路原理

當(dāng)裝置啟動后，監(jiān)測模塊與上位機模塊的nRF24L01 開始建立無線通訊，通訊成功后，監(jiān)測模塊AT89C52 單片機激勵超聲波單元發(fā)出超聲波信號。超聲波監(jiān)測范圍內(nèi)出現(xiàn)的障礙物時會反射超聲波形成回波，超聲波單元接收回波信號后，經(jīng)過濾電路與放大電路將超聲波傳播時間輸入單片機，單片機通過公式計算得到障礙物距離，對比如表1 的程序預(yù)設(shè)危險分級表確定障礙物危險等級，確定控制指令。

表1 安全等級劃分

在確定控制指令后后，將結(jié)果通過nRF24L01 從端無線傳輸至上位機模塊nRF24L01 主端。接收后輸入上位機AT89C52 單片機。根據(jù)輸入指令，單片機驅(qū)動語音、蜂鳴器、LED 燈進行報警，提醒駕駛員障礙物接近，注意安全。

2 裝置硬件設(shè)計

2.1 AT89C52 單片機模塊設(shè)計

本裝置使用兩個AT89C52 型8 位低功耗高性能單片機作為控制核心。該單片機采用標(biāo)準(zhǔn)C51 內(nèi)核/具備8K 可用于系統(tǒng)內(nèi)編程FLASH 存儲器，時鐘頻率0Hz～24 MHz，32 個可編程I/O 口線，3 個16 位定時/計數(shù)器，2 個可編程URAT 串行通道，支持低功耗空閑與掉電保護。

該裝置由單片機XTAL1 與XTAL2 引腳外接12 MHz 晶振電路，RST 引腳外接復(fù)位電路，組成單片機最小系統(tǒng)。其中監(jiān)測模塊P0.0 接HC-SR04 Trig 引腳，P0.1 接Echo 引腳，用于激勵超聲波單元與接收回波時間數(shù)據(jù)。上位機模塊通過RS-232 總線通訊與單片機或觸摸屏連接。

2.2 超聲波模塊設(shè)計

超聲波一般指頻率超過20 kHz，不在人類聽覺范圍內(nèi)的一種彈性機械振動波，依靠介質(zhì)進行傳播。與人的可聽聲相比，超聲波在接觸不同介質(zhì)分界時會產(chǎn)生顯著反射，根據(jù)此原理可進行超聲波測距。如圖3 測距原理圖所示。

圖3 超聲波測距原理

除超聲波外，目前市場主流測距傳感器還包括激光、紅外線、CCD 電荷耦合等。各傳感器性能有較大區(qū)別，主要性能對比如表2 所示。

表2 傳感器性能對比

由表2 可知，超聲波受色彩、外部光線、環(huán)境影響較小，技術(shù)難度與成本也相對較低。在灰塵、夜間、霧霾等特殊環(huán)境下測量結(jié)果均有顯著優(yōu)勢。除此之外，超聲波傳播速度穩(wěn)定，能實現(xiàn)非接觸式無損測量，具有高分辨率與強指向性，低衍射性與強穿透性等優(yōu)點。非常適合車輛盲區(qū)監(jiān)測對準(zhǔn)確度、覆蓋率、有效距離、安全性的需求。

由于超聲波的測量精度與指向性有關(guān)，波束寬度又是指向性的展現(xiàn)，該數(shù)值越小則指向性越好。因此根據(jù)公式（1）所示，可以通過改變頻率等提高指向性。

式中：c代表超聲波傳播速度；R代表聲波發(fā)射源直徑；f代表聲波頻率。

由式（1）可知，當(dāng)頻率越高指向性將越好，但過高頻有聲波衰減問題。因此在實際應(yīng)用中需要選擇合適頻率以保證指向性與衰減性的平衡。經(jīng)式（1）計算與考慮實際應(yīng)用環(huán)境，本裝置選擇40 kHz 作為使用頻率，選擇HC-SR04 一體型超聲波測距模塊作為裝置的超聲波單元。其主要電氣參數(shù)見表3。

表3 超聲波測距模塊電氣參數(shù)

HC-SR04 體積小巧，簡單易用，廣泛應(yīng)用于避障、測距、液位監(jiān)測等領(lǐng)域，檢測精度最高可達(dá)3 mm。其引腳電路如圖4 所示。

圖4 HC-SR04 引腳電路

其中：VCC 接+5 V 電源；GND 為接地端；Trig 為觸發(fā)端；Echo 為回應(yīng)端。

在使用過程中，Trig 接入單片機P1.0 引腳，Echo接入單片機P1.1 引腳。當(dāng)通過I/O 口向Trig 輸入至少10 μs 高電平信號后，模塊便可自動發(fā)射8 個40 kHz方波，同時Echo 將保持高電平直至檢測到返回信號。Echo 高電平持續(xù)時間即為超聲波傳播時間t，通過公式（2）：

式中：L代表探頭間距；D代表超聲波傳播速度；t代表超聲波傳播時間。

通過上式進行計算，即可得到超聲波傳播距離，用于后續(xù)危險分級計算。

2.3 無線通訊模塊設(shè)計

本設(shè)計選用nRF24L01 型無線射頻收發(fā)器，運行頻率2.4～2.5 GHz，使用ISM 頻段。融合增強型ShockBurst 技術(shù)，可通過內(nèi)部程序配置通訊頻段與輸出功率。

運用其多對一通訊與點到多點通訊地址控制功能。將上位機模塊nRF24L01 設(shè)置為PRX 主接收模式，各監(jiān)測模塊nRF24L01 設(shè)置為PTX 主發(fā)射模式。連接單片機并配置CE、CSN、IRQ 引腳和SCK、MOSI、MISO 引腳的SPI 配置。在設(shè)置過程中，需要特別注意TX_PLOAD_WIDTH 和RX_PLOAD_WIDTH 在主從端的代碼宏定義值是否相等。

2.4 顯示報警模塊設(shè)計

上位機顯示報警模塊包含LCD 顯示屏，語音模塊，蜂鳴器與燈光模塊。顯示屏選擇INNOLUX WES07 型LCD 顯示屏。顯示屏大小為7 英寸，支持觸摸控制，用于顯示監(jiān)測區(qū)域與報警信息。語音報警模塊選用ISD1820 型語音模塊。支持最大20 s 單次錄制時長與外接SD 卡存儲。報警模塊采用5 V 蜂鳴器與LED 燈，其電路如圖5 所示。

圖5 蜂鳴器電路原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計采用C 語言完成單片機編程任務(wù)。實現(xiàn)監(jiān)測模塊超聲波測距、障礙物距離計算、危險分級功能與上位機模塊報警控制、上位機顯示功能。其中監(jiān)測模塊軟件任務(wù)流程如圖6 所示。

圖6 監(jiān)測模塊任務(wù)流程

上位機模塊軟件任務(wù)流程如圖7 所示。

圖7 上位機模塊任務(wù)流程

4 系統(tǒng)仿真

本裝置采用Proteus 軟件進行仿真，使用LCD1602液晶屏代替上位機屏幕，由于軟件限制，HC-SR04 最大模擬距離為2.9M，仿真中通過控制滑動變阻器模擬HC-SR04 監(jiān)測距離改變。

搭建完成后，向監(jiān)測模塊與上位機模塊單片機分別燒錄hex 程序，部分程序如圖8 至10 所示。

圖8 顯示初始化程序

圖9 中斷入口函數(shù)程序

圖10 超聲波測距程序

調(diào)節(jié)HC-SR04 滑動變阻器，模擬障礙物距離的改變，觀察輸出端液晶屏顯示數(shù)據(jù)與報警系統(tǒng)響應(yīng)，實驗結(jié)果如表4 所示。

表4 仿真實驗結(jié)果

5 結(jié)語

為消除車輛視野盲區(qū)的存在，本文設(shè)計一種以AT89C52 單片機為核心的裝置，該裝置利用多個分布安裝的超聲波測模塊檢測障礙物，按照距離劃分安全等級，然后通過無線通訊實現(xiàn)上位機控制多重報警。在具體應(yīng)用方面，本設(shè)計整體構(gòu)型簡單、功能合理、性價比高，可根據(jù)需求不同換裝不同規(guī)格超聲波模塊進一步提升檢測性能。