倒车雷达防撞系统的设计

李红岭，张华，贾尚云，杨梅，高晓阳

（730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院 ）

0 引言

随着汽车数量逐年增加，原来空旷的路边被各种私家车挤满，停车位置变得越来越少，停车场地越来越拥挤。很多时候的停车位前后都停有车，并且两车中间的距离对于停车来说也非常逼仄，这种情况就非常考验驾驶员的技术和经验。在停车过程中，驾驶员不仅要观察与后面车辆的距离，更是要留意与前车的距离，这就分散了驾驶员的注意力，一不小心就会发生剐蹭事故，整个倒车过程对驾驶员来说劳力伤神。本文结合智能化技术，设计了电路简单、成本较低、功能实用的倒车雷达系统，为驾驶员尤其经验不足的驾驶员停车困难问题提供了解决方案。

1 设计方案

本次设计以低成本、低功耗的AT89C52 单片机作为系统的控制中心[1]，对系统的各个电路进行协调和控制。系统主要是由单片机最小系统、超声波测距模块、显示电路和语音播报电路、温度传感器、按键等几部分组成，系统框图如图1 所示。超声波的发射与接收选用谐振频率为40 kHz 的HC-SR04 超声波集成模块，此电路的优点在于所需外围元件少、电路简单、具有非常好的稳定性以及很强的可靠性；液晶显示屏选用LCD1602，该显示屏价格便宜，电路连接简单，用于显示车身与障碍物间的距离；语音播报电路采用NV02C 芯片来实现，可以在倒车过程中很好地进行实时语音提示[2-5]。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

2 硬件电路设计

2.1 单片机最小系统设计

单片机最小系统的原理图如图2 所示，主要是由单片机控制、复位电路、晶振电路3 部分构成。单片机是整个倒车雷达的中心，本设计选择的是由ATMEL 公司生产的高性能、低功耗、低成本的8 位集成单片机AT89C52。复位电路相当于单片机的重启系统，在单片机发生跑飞时，按下复位按钮单片机开始重启，结束跑飞。晶振电路主要产生振荡脉冲，控制单片机有节奏地工作。

图2 单片机最小系统接口电路Fig.2 Minimum system interface circuit of single chip microcomputer

2.2 超声波测距电路

该模块电路主要通过超声波传感器发送和接收超声波[6]，来检测驾驶员在倒车时汽车车身与障碍物之间的距离，并将检测到的信号传送到单片机中进行处理和输出。集成的超声波测距芯片HC-SR04，其测距电路都集成在一个芯片上，可以让系统变得更为简单。该芯片集成了超声波的发射器、接收器和控制电路，性能优越，价格便宜，在工作时只需要接收到一个10 μs 的高电平信号，该模块就会开始工作。而且该模块采用分体式的探头，发射探头和接收探头之间有一定的距离，使得该超声波传感器的盲区比一体式探头的超声波传感器要小很多。与单片机的接口电路如图3 所示。

图3 超声波测距电路Fig.3 Circuit of ultrasonic ranging

2.3 语音提示电路

语音模块电路如图4 所示，主要是对车身与障碍物之间的距离进行播报，通过语音提示让驾驶员更清楚地了解车辆后方的状况，让驾驶员对车辆与障碍物的距离有更直观的了解，以达到降低倒车难度的目的。倒车雷达系统中语音播报系统的出现，从根本上改变了人们倒车的方式，从原来的只能从视觉上获取车辆后方信息，变成了现在的眼耳并用的方式，一定程度上提高了驾驶员在倒车过程中遭遇意外时的反应速度。

图4 语音提示电路Fig.4 Circuit of voice prompt

2.4 温度测量电路

不同温度下超声波在空气中的传播速度是不相同的，如果采用定值计算[7]，如式（1）：

式中：s——车身与障碍物的距离，m；T——温度传感器测得的当前环境的温度，℃；t——测得超声波的往返时间，s。

在环境温度与标准温度差距较大时，系统测得的距离上的误差也会跟着变大。本系统采用具有小体积、精度高、电路简单等优点的DS18B20温度传感器，与单片机接口电路如图5 所示。

图5 温度测量电路Fig.5 Circuit of temperature measurement

2.5 报警距离调节电路

本系统只设计了3 个按键，分别用来实现“设置”“加”“减”的功能，能够自行根据不同环境和条件对安全距离进行调整，设计语音提示距离。这3 个按键一端与单片机的P3.2，P3.3，P3.4 引脚相连，一端接地。与单片机的连接图如图6 所示。

图6 报警距离调节电路Fig.6 Circuit of alarm distance adjustment

2.6 显示电路

显示模块电路是倒车雷达系统中的一个重要输出部分，主要用来显示障碍物与车身间的距离。倒车时配合语音报警模块一起使用，能够给予驾驶员很大的帮助。本设计选用功耗低、质量轻、体积小、对比度和色彩饱和度都非常好的LCD1602 显示屏，与单片机的接口电路如图7所示。

图7 显示电路Fig.7 Display circuit

3 软件设计

采用模块化编程，主程序流程图如图8 所示。包括：初始化程序——主要对液晶显示屏和定时器进行初始化；温度采集程序模块——主要采集环境的温度，使得单片机根据当前温度计算出超声波在空气中的传输速度；超声波测距程序模块——主要测量车身与障碍物间的距离；显示程序模块——主要显示当前环境温度和车身与障碍物间的距离；判断程序模块——判断是否到达语音提示距离及语音警示距离；按键程序模块——主要设置语音警示值。

图8 主程序流程图Fig.8 Flow chart of main program

4 系统调试

经过电路焊接，制作出倒车雷达测试系统并进行联机调试，如图9 所示，若按键设定的报警距离是0.4 m，当超声波模块距离障碍物小于0.4 m时，语音会连续提示“停车”，距离障碍物1.6 m 内，每缩小0.2 m 会提示与障碍物间的距离一次。

图9 联机调试Fig.9 Online debugging

5 结语

本设计基本完成了倒车雷达所需要的所有功能。设计中还加装了温度监测系统，能够让系统在运行过程中根据所处的环境温度，自动调整超声波在空气中传播的速度参数，提高了整个系统的精确度，减小了在障碍物距离测量上的误差。整个系统功能齐全、电路简单、测量精度高、成本低廉、使用方便，完全满足了驾驶员在倒车过程中所需求的功能。