...于单片机的汽车防碰撞报警系统设计
汪允浩 钟根鹏 汪熙婷 杨业豪
[摘 要]结合汽车倒车需求，本文设计了一种使用超声波测距原理的倒车防碰撞报警系统，可以利用超声波完成障碍物位置信息的检测，并通过语音播报提醒驾驶员。在汽车倒车时，系统将自动启动，并实时显示测距结果。从系统测试结果来看，采用该系统测试误差不超过±0.02m，能够满足汽车倒车的精度要求。
[关键词]倒车防碰撞报警系统；超声波测距原理；超声波收发系统
中图分类号：G395 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）48-0287-01
引言
在汽车泊车的过程中，需要利用倒车系统帮助驾驶员克服视野死角的缺陷，防止汽车车尾与周围障碍物发生碰撞，所以能够为行车安全提供保障。而在倒车防碰撞报警系统设计上，采用超声波测距原理能够实现障碍物位置的高精度测量，并且能够降低系统制造成本，为系统操作提供便利。因此，还应加强倒车防碰撞报警系统设计研究，从而更好的确保车辆驾驶安全。
1 倒车防碰撞报警系统工作原理
从结构上来看，倒车防碰撞报警系统由超声波传感器、超声波收发系统和中央处理器等模块构成。在系统工作的过程中，主要采用超声波测距的方法完成障碍物与车辆距离的探测，从而实现碰撞报警输出控制。采取超声波测距法，需要利用探头完成超声脉冲的发射，而脉冲在空气中传递的过程中如果遇到障碍，就会返回探头。结合超声波在介质中的传播速度，并根据脉冲发收经过的时间，则能完成被测物距离的测算[1]。系统中央处理器根据之前设定的危险距离，则能利用液晶显示距离障碍物的距离，并利用语音报警给驾驶员提供提示。此外，由于超声波传播速度会受温度影响，所以还要利用温度补偿模块实现测算结果的补偿，以确保测算结果的准确性。
2 倒车防碰撞报警系统软硬件设计
2.1 系统硬件设计
2.1.1 中央控制器
在中央控制器选择上，系统采用的是AT89C2051单片机。该单片机为八位高性能芯片，由美国Atmel公司生产。芯片内部拥有2kB字节快闪存储器，使用FLASH存储技术，并采用DIP封装。作为系统核心部件，其能够产生40kHz脉冲信号，并完成准确计时，同时也能完成对各接口电路的控制和协调。在超声波发送控制上，芯片可采用反相器和驱动电路实现发收系统控制，并通过检测INT0引脚电平变化情况确认超声波是否返回。如果发现超声波返回，芯片会发出中断，计数器则会停止计数。根据计数器提供的脉冲数，则能完成脉冲信号收发时间的计算。根据温度信号，则能完成探头与障碍物间距离测算。
2.1.2 超声波传感器
系统采用的超声波传感器为T/R40-16，拥有较强的发射和接收配对能力。从传感器的频率特性上来看，其中心频率为40kHz，在该频率下其将产生较强的超声机械波，拥有最高的超声声压能级。随着频率的变化，其产生的声压能级也会急速减小。在接近中心频率的位置，还要利用交流电压实现激励。此外，该传感器拥有较强的指向特性，内部拥有小圆片状的压电晶片，表面各点均可以作为振动源，完成半球面波的辐射。而其提供的子波缺乏指向性，会在空间某一处形成叠加效果，进而使其具有指向性。
2.1.3 超声波收发系统
从超声波收发系统设计情况来看，采用的是CX20106A芯片，由日本索尼公司生产，为红外线检波接收芯片。该芯片内部有带通滤波器，可外接电阻实现频率调节。在汽车倒车时，系统单片机会自动完成脉冲信号发送，以驱动发射器进行超声波发射[2]。为提高系统驱动能力，需使用4个非门在超声波换能器两端进行信号加载。在探头完成信号接收后，会将信号转化为电信号。经过CX20106A的放大、滤波处理，信号将得到开路输出。
2.1.4 温度补偿电路
系统温度补偿电路采用的是DS18820芯片，可以利用温度与声速的关系完成声速校正，以确保系统测算结果的准确性。在常温条件下，超声波会以331.5m/s速度在空气中传播。但随着温度的变化，超声波传播速度也将发生较大变化。利用公式C=331.5+0.607θ，可实现波速补偿。采用DS18820芯片，可利用引脚直接与系统单片机连接，并且可以直接利用外部电源供電，所以无需考虑其驱动问题。在温度采集上，其需要连接4.7kΩ的上拉电阻，可以将温度转化电信号，以实现温度补偿。
2.2 系统软件设计
从系统软件设计情况来看，采用的是汇编语言进行系统编程，利用模块化思想完成了温度测量、距离测量和系统主程序等多个程序的编写，以实现对各模块的控制。采用该种编程语言，能够使计算机硬件功能得到充分发挥，并且系统软件也能获得开销小和运算快的优势。作为低级程序语言，汇编语言可以被用户轻松掌握，从而完成单片机内部单元和寄存器的直接操作，因此可以更好的完成数据处理。通过建立数学模型，并完成数据线性拟合，则能完成距离的准确播报，进而使驾驶者顺利完成倒车操作。在系统主程序设计中，由于传感器和接收系统距离较近，容易导致信号接收受其他信号的干扰。所以在测距过程中，完成了4ms延时的设置，然后进行外部中断的开启，从而使系统的抗干扰能力得到增强。因此在系统程序中，存在有超时处理程序[3]。按照程序流程，如果系统延时超过一定时间，外部中断并未进行响应，系统会重新进行脉冲信号的发射。如果外部中断实现响应，系统会立刻停止计时，然后执行温度补偿的程序，并完成距离的测算，最终显示测算结果。
3 倒车防碰撞报警系统的测试分析
为确定设计出的倒车防碰撞报警系统能否顺利完成距离探测，在固定温度条件下对系统进行了测试，并利用普通卷尺进行了实际距离的测量，以确定系统探测结果的准确性。如下表1所示，为系统测试结果。从测试结果来看，系统测距误差不超过±0.02m。从这一数据可以看出，汽车倒车速度要比声波传输速度小，所以基本可以忽略这些误差。因此，系统的设计能够满足倒车精度要求。
结论
通过分析可以发现，采用超声波测距的原理完成倒车防碰撞报警系统设计，能够实时完成车后障碍物位置的测量，并通过语音播报和屏幕显示提醒驾驶员，从而满足汽车倒车需求。而从测试结果来看，系统测量精度也能满足汽车运行安全要求，所以能够得到较好的推广和应用。
参考文献
[1] 谢星，孙玲，曹海平等.基于ARM的超声波倒车雷达报警系统设计[J].计算机光盘软件与应用，2014，17（03）：20-21.
