AVR单片机的全方位雷达辅助行车系统设计

倪建华

(江苏卡威工业集团有限公司，丹阳 212323)

AVR单片机的全方位雷达辅助行车系统设计

倪建华

(江苏卡威工业集团有限公司，丹阳 212323)

针对4探头倒车雷达常存在视觉盲区造成停车困难的问题，本文研究一种包含8探头的全方位雷达辅助行车系统。8个探头分别布置在车头和车尾，在车辆前进和倒车状态下分别启用不同位置的雷达，通过AVR单片机控制电路模块、超声波测距模块、液晶显示模块、蜂鸣器报警模块等实现多路障碍物的探测、距离显示和声音报警功能，以帮助驾驶员判断车辆距离障碍物的远近，全面了解车辆周围情况。

汽车雷达；AVR单片机；中断处理；辅助行车系统

引 言

随着中国经济的高速发展，汽车普及率越来越高，在汽车数量快速增长的同时也带来了一些问题，如空间狭小条件下的泊车问题、缓慢行车条件下的跟车安全问题等。雷达辅助行车系统得到了较多的研究和关注[1-3]，目前常用的辅助倒车系统为4探头倒车雷达，该系统在一定程度上有效避免了倒车或泊车时与车辆后方障碍物的碰撞问题。参考文献[4]研究了一种二维倒车雷达系统，能同时辨识出车辆后方水平障碍物和地面障碍物，但在空间比较狭小时，不仅要考虑车辆后方的障碍物，还要考虑车头位置的障碍物，尤其是驾驶员右前方位置的障碍物；另一方面，汽车数量的大幅增加造成了早晚高峰时的道路拥堵，汽车的行驶状态常为缓慢行车和跟车，此时，有必要增加车辆的前置雷达系统以提高行车安全。

因此，本文针对目前倒车雷达系统存在的问题，研究一种包含8探头的全方位雷达辅助行车系统，当系统探测到车辆和周围障碍物之间的距离小于设定值时，蜂鸣器报警，并将随着距离的变化发出不同频率的报警声。

1 系统总体设计

本文研究的全方位雷达辅助行车系统包括8个探头，探头分别布置在车头和车尾位置，当车辆缓慢跟车、刹车、倒车时，将分别启动不同位置的探头，图1为车辆缓慢跟车和刹车时雷达工作示意图，此时位于车头的4个探头开始工作，驾驶员可自主选择是否启用图1所示的车辆跟车和刹车时的雷达探测功能；图2为车辆倒车时雷达工作示意图，当汽车档位处于倒档时，位于车头的2个探头和车尾的4个探头开始工作，同时探测车辆前后方的障碍物。

图1 车辆跟车和刹车时雷达工作示意图

图2 车辆倒车时雷达工作示意图

系统由AVR单片机控制电路模块、超声波测距模块、液晶显示模块、蜂鸣器报警模块等组成。本系统使用超声波测距模块完成系统设计，可降低系统电路设计难度，缩短设计时间，且获得较高的硬件稳定性。因此需要搭载多路超声波测距模块，采用信号复用器，不仅可满足应用需求，也可为以后功能扩展预留空间；采用外部中断来捕捉信号，这样可节约单片机资源，响应快速准确，提高测距的精度。

2 硬件电路设计

2.1 AVR单片机控制电路模块

图5 HCSR04时序图

控制电路模块使用高性能、低功耗的8位AVR单片机，可以满足信号采集、计算、显示及声音报警等各项功能。Atmel公司推出的AVR单片机具有先进的RISC结构，大多数指令执行周期为单个时钟周期，当工作于16 MHz时，其性能高达16 MIPS。ATmega16单片机具有16 KB的片内可编程Flash、512字节的片内EEPROM、1 KB的片内SRAM，包含2个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，以及1个具有独立预分频器、比较器和捕捉器功能的16位定时器/计数器，能满足该行车辅助系统的功能需求。该单片机具有JTAG接口，可以通过JTAG接口对片内Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位进行编程。单片机控制电路模块如图3所示。

图3 ATmega16控制电路

2.2 超声波测距模块

图4 超声波测距计算示意图

超声波测距是基于超声脉冲回波渡越时间算法来实现的[5]。如图4所示，假设超声脉冲在空气中的传播速度为C，从超声脉冲发出到检测到回波信号之间的时间为T=t1+t2，则超声波测距模块与被探测障碍物之间的距离为D=CT/2。

本文选用HC-SR04超声波测距模块完成系统设计，该模块包括超声波发射器、接收器和控制器。测距模块工作电压为4.5～5.5 V，最大功耗为20 mA，谐振频率为40 kHz，测距范围为20～4 000 mm，测量精度为4%。该模块通过4针接口与外部控制电路连接，其中VCC和GND为电源输入接口，Trig和Echo为信号控制接口。图5为HC-SR04控制时序图，HC-SR04模块收到10 μs的高电平信号后，模块内部会产生8个40 kHz的脉冲。在此之后，超声波发射器发出超声波信号，同时回响输出信号变为高电平。当发出的超声波信号遇到障碍物反射回来，被超声波接收模块接收到后，回响输出信号变为低电平。回响信号的高电平宽度和障碍物距离成正比。

2.3 液晶显示模块

液晶显示模块可实时显示车辆与周围障碍物之间的距离，本系统使用128×64点阵显示的液晶模块JCM12864M，可显示4行汉字，每行8个，显示内容丰富。该液晶模块可以使用并行通信方式，也可以使用串行通信方式。本文中选用串行通信方式，该通信方式只需要占用单片机的3个I/O口即可实现，如图6所示。

图6 点阵液晶模块控制电路

2.4 蜂鸣器报警模块

当车辆与周围障碍物之间的距离小于一定值时，蜂鸣器报警。本系统选用的是无源蜂鸣器，无源蜂鸣器需要使用单片机的1路PWM输出引脚，占用1个定时器/计数器资源，与有源蜂鸣器相比，无源蜂鸣器可以发出更丰富的声音信息。无源蜂鸣器所需的驱动电流较大，单片机I/O口不能直接进行驱动，需要通过1个三极管进行驱动电流放大，其控制电路如图7所示。无源蜂鸣器通过输入电压方波的波形频率来控制发声的音调，通过电压方波的占空比来控制发声的音量，在实际探测中，蜂鸣器将根据距离信息的变化发出不同频率的声音以提醒驾驶员掌握车辆周围障碍物的情况。

2.5 雷达辅助行车系统

图7 无源蜂鸣器控制电路

图8 多路超声波测距模块ECHO信号接入电路

针对多探头辅助行车系统的需求，本文设计了一种复用电路，可以连接8个探头，使系统具有极大的扩展性，系统原理图如图8所示。8个超声波测距模块的TRIG信号由单片机的8个I/O口进行控制，ECHO信号要接入单片机的外部中断口，因此需要设计一种电路将这8个ECHO信号分时接入外部中断引脚。选用74HC151多路信号复用器芯片，通过该芯片可以选择一个ECHO信号接入外部中断引脚。

3 软件设计

3.1 外部中断和计时器

ATmega16单片机的Timer1为16位计时器，计数范围为1～65 535。系统使用8 MHz晶振，Timer1不使用预分频，则Timer1计时范围为：1～65 535 μs。在常温下，测距模块距离障碍物100 mm时，超声波经过的距离为200 mm，超声波传播速度为340 m/s，则渡越时间为t=(0.2/340)×106≈588 μs；在常温下，测距模块距离障碍物2 000 mm时，超声波经过的距离为4 000 mm，超声波传播速度为340 m/s，则渡越时间为t=(4/340)×106≈11 764 μs。可以看出，系统满足从100 mm到2 000 mm范围内的测距需求。

单个超声波测距模块的工作流程如图9所示,使用AVR单片机的INT0引脚作为测距模块ECHO信号接收端，利用ECHO信号高低电平变化来触发INT0中断。ECHO信号的上升沿和下降沿之间的时间即为测距时的渡越时间,使用外部中断来捕捉ECHO信号的电平变化，使主程序流程简洁，同时可以避免占用单片机资源和信号丢失等问题。

图9 测距模块工作流程

3.2 多路测距模块轮询检测

图10 测距模块标志位循环计数流程图

图11 多路测距系统工作流程图

本文对8个超声波测距模块(编号为0～7)进行轮询检测，图10为测距模块标志位循环计数示意图。测距模块最大距离为4 m，渡越时间最大不超过24 ms。单片机利用Timer0定时器，每100 ms产生一次中断。每次进入中断后，对标志位进行加1操作，到达7后又重新从0开始计数，使标志位在0～7之间循环。单片机按照该标志位对相应的测距模块进行测距操作，并根据8个模块中的最小距离进行显示或报警。

本文中使用的测距模块推荐的最大测量距离为4 m，渡越时间约为24 ms；每个模块的工作间隔推荐值为60 ms，因此每个模块工作总时间应该小于84 ms。本文将Timer0定时时间设置为100 ms，8个测距模块全部工作一次耗时800 ms，可满足日常应用。图11为多路测距系统工作流程图，系统初始化之后将进入循环，启动第N个测距模块，进而显示出距离值。

结 语

本文设计了基于AVR单片机的雷达辅助行车系统，该系统具有硬件电路简单、软件设计高效、测距精度高等特点，相比于常见的车尾倒车雷达系统，本系统不仅能满足倒车的应用需求，且能在车多缓行环境下实现车辆跟车和刹车的距离提醒，更有利于驾驶员掌握车辆周围的行车环境，保障行车安全。

[1] 陆城富, 许宜申,吴茂成. 基于超声波测距的二维倒车雷达系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2015(10): 59-61.

[2] 韩韧, 金永威, 王强.基于STM32和超声波测距的倒车雷达预警系统设计[J]. 传感器与微系统, 2016, 35(4): 63-66.

[3] 范志芳, 王磊朋. 汽车倒车雷达功能实现简述[J]. 轻型汽车技术, 2015(7): 42-45.

[4] 严敏. 基于单片机的倒车雷达系统的设计与实现[J]. 苏州市职业大学学报, 2016, 27(3): 25-29.

[5] 何乃龙, 沙奕卓, 行鸿彦. 新型车载倒车雷达监控系统的设计与研制[J]. 信息技术, 2016(3): 1-5.

倪建华，主要从事汽车整车及零部件的技术研发、质量管理等工作。

结 语

本文提出了一种基于WiFi模块的图像高速传输方案，重点讲述了利用TI的CC3200 WiFi模块传输图像的过程。利用WiFi技术，智能车可以高速而有效地将图像信息传送给计算机，大大地提高了调试效率。

参考文献

[1] 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 郭书军，田至鹏.基于单片Wi-Fi MCU CC3200的无线串口[J].仪器仪表用户，2016(1).

[3] 桥亮，王建军.基于DMA技术单片机数字摄像头图像采集系统设计[J].机械与电子，2015(9).

[4] 杨晓，李战明.面向系统级芯片的串行外设接口模块设计[J].计算机应用，2015(12).

[5] 陈文周.WiFi技术研究及应用[J].数据通信，2008(2).

[6] 张文亮，程绍澜.WiFi网络通讯技术在煤矿井下的应用分析[J].信息通信，2013(2).

朱为、滕璞骏(本科)，主要研究方向为机械工程与自动化学院；闻时光(讲师)，主要研究方向为嵌入式系统设计和机器人控制。

(责任编辑：杨迪娜 收稿日期：2016-11-28)

[3] 陈鑫，秦宏伟，陈春雨，等. 基于Cortex-M3内核的STM32微控制器研究与电路设计[J].大庆师范学院学报，2013(6): 44-47.

[4] 廖平，韩伟伟. 基于STM32多步进电机驱动控制系统设计[J]. 仪表技术与传感器，2016(4):71-73.

[5] 李敏，孟臣. 单片K型热电偶放大与数字转换器MAX6675[J].单片机与嵌入式系统应用，2003(9): 41-43.

[6] 王成成，李梦倩，雷文，等.3D打印用聚乳酸及其复合材料的研究进展[J].塑料科技，2016(6): 89-91.

[7] 张胜，徐艳松，孙姗姗，等.3D打印材料的研究及发展现状[J].中国塑料，2016(1):7-14.

[8] 杨亮，傅瑜，邓春健，等. 基于嵌入式平台3D打印机研制[J]. 实验技术与管理，2015(12):89-92.

孙超林(本科生)，主要研究方向为硬件电路设计；王鑫(实验师)，主要研究方向为自动控制、嵌入式开发。

(责任编辑：杨迪娜 收稿日期：2016-11-04)

All-dimensions Radar Aided Driving System Based on AVR Microcontroller

Ni Jianhua

(Jiangsu Kawei Auto Industrial Group Co.,Ltd.,Danyang 212323,China)

Aiming at the parking problem caused by the 4 probes reversing radar existing the visual blind spots,a kind of all dimensions radar aided driving system with 8 probes is proposed.The 8 probes are arranged in the front and the rear.The system uses part of them when the car goes forward or reverses,and it can achieve the functions of the multi-channel obstacle detection,the distance display and the sound alarm through AVR SCM,the radar ranging module,the liquid crystal display module and the buzzer module.This radar aided driving system can help the driver to judge the distance of the obstacle,and get the whole information around the car.

automotive radar;AVR SCM;interrupt handling;aided driving system

TB559

A

迪娜

2017-01-09)