基于單片機的倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

0 引 言
??? 汽車倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)即是俗稱的倒車雷達，是汽車泊車輔助裝置。在汽車倒車時，倒車雷達采用超聲波測距原理探測汽車尾部離障礙物的距離，當(dāng)汽車尾部離障礙物的距離達到探測范圍時，倒車雷達通過數(shù)碼管實時動態(tài)顯示距離。當(dāng)汽車尾部離障礙物的距離達到設(shè)定的安全警告值時，倒車雷達發(fā)出報警聲，以警示駕駛員，輔助駕駛員安全倒車。現(xiàn)在生產(chǎn)的中高檔小轎車大多數(shù)都配置有倒車雷達，而出于節(jié)省成本等方面的考慮，經(jīng)濟型小轎車、大客車等其他車輛都沒有配置倒車雷達。有市場需求的產(chǎn)品，必然會帶動產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。倒車雷達電路種類較多，本文介紹基于單片機控制的倒車雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用通用型單片機作為控制電路，方便系統(tǒng)功能擴展。系統(tǒng)電路主要采用集成器件構(gòu)成，外圍元件少，電路簡潔、調(diào)試方便、成本低，利于商品化生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
??? 倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)由四路收發(fā)一體封閉(防水)型超聲波傳感器及其超聲波發(fā)射與回波接收電路、超聲波電信號放大電路、單片機控制電路、LED數(shù)碼管顯示電路和蜂鳴器聲音報警電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

??? 當(dāng)汽車倒車時由倒車換擋裝置自動接通系統(tǒng)電源，系統(tǒng)上電復(fù)位，進入工作狀態(tài)。單片機編程產(chǎn)生一串40 kHz的矩形脈沖電壓，經(jīng)四選一模擬開關(guān)加到超聲波發(fā)射與回波接收電路，經(jīng)放大驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射出超聲波，同時單片機開始計時。發(fā)射出的超聲波碰到障礙物后形成反射波，部分反射波返回作用于超聲波傳感器，經(jīng)超聲波傳感器的聲／電轉(zhuǎn)換，變成微弱的電信號，該微弱的電信號經(jīng)放大、整形產(chǎn)生負跳變電壓，向單片機發(fā)出中斷申請。單片機收到中斷申請的信號后，立即響應(yīng)中斷，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序，停止計時，得到超聲波發(fā)送和返回的時間T，計算出發(fā)射點離障礙物的距離S，即：S=(C·T)／2。C是超聲波在空氣中的傳播速度，在常溫25℃時，C約為346 m／s。若發(fā)射出的超聲波在測距范圍內(nèi)未遇到障礙物，直到單片機定時中斷產(chǎn)生，執(zhí)行定時中斷服務(wù)程序，選擇下一路，依次按后左路、后左中路、后右中路、后右路的順序繼續(xù)發(fā)射和接收超聲波，并經(jīng)過計算處理。四路探測處理完畢，選擇四路中測出的最小距離值通過LED數(shù)碼管顯示出來。當(dāng)最小距離值小于預(yù)先設(shè)定的報警距離時，單片機接通蜂鳴器的電源，蜂鳴器發(fā)出報警聲。若四路探測無回波中斷申請，則顯示“-．--”，表明在安全距離內(nèi)沒有障礙物，再繼續(xù)下一輪的循環(huán)探測處理。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計
2．1 超聲波發(fā)射與回波接收電路
??? 超聲波發(fā)射與回波接收電路的主要作用是提高驅(qū)動超聲波傳感器的脈沖電壓幅值，有效地進行電／聲轉(zhuǎn)換，增大超聲波的發(fā)射距離，并通過收發(fā)一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉(zhuǎn)變成微弱的電信號。超聲波發(fā)射與回波接收電路如圖2所示(畫出一路，其他三路與該路一樣)。

??? EFR40RS是收發(fā)一體封閉(防水)型超聲波傳感器，其中心頻率f0=(40．0±1．0)kHz，-3 dB帶寬1 kHz。驅(qū)動電壓峰一峰值要求60～150 V。CD4052是雙路四選一模擬開關(guān)，單片機的P3．4和P3．5端口輸出選通信號，單片機的P3．3端口輸出一串40 kHz的脈沖電壓，通過CD4052的X路加到選通的開關(guān)三極管Q1基極，經(jīng)脈沖變壓器T1升壓至100 VP-P左右，驅(qū)動超聲波傳感器EFR40RS發(fā)射超聲波。發(fā)射時的脈沖電壓幅值大小直接影響測距的遠近，應(yīng)采用超聲波專用的脈沖變壓器。反射回的超聲波經(jīng)原收發(fā)一體封閉型超聲波傳感器變成毫伏級的一串脈沖電信號。由于回波電信號的幅值小，VD3和VD4二極管截止，該信號不會通過T1變壓器副邊線圈形成短路。VD1和VD2二極管也截止，所以回波電信號經(jīng)R1和C1，通過CD4052的Y路送到超聲波電信號放大與整形電路。R1和VD1，VD2組成雙向限幅電路，避免發(fā)射時的大信號造成超聲波放大與整形電路阻塞，甚至損壞電路。

2．2 超聲波電信號放大電路
??? 超聲波電信號放大電路采用集成電路CX20106A構(gòu)成。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號接收集成電路。通過外部所接電阻，將其內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0設(shè)置為40 kHz，就可以接收放大超聲波電信號，并整形輸出負脈沖電壓。
??? 應(yīng)用電路如圖3所示。1腳是超聲波電信號輸入端，2腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是內(nèi)部前置放大電路負反饋網(wǎng)絡(luò)的組成部分。電阻R5的數(shù)值確定前置放大電路的增益。R5電阻值減小，負反饋減弱，放大倍數(shù)增大；反之，則放大倍數(shù)減小。3腳與地之間連接檢波電容C3，適當(dāng)改變電容C3的大小，可以改變超聲波電信號放大和整形電路的靈敏度和抗干擾能力。C3電容量大，靈敏度低，抗干擾能力強；C3容量小，靈敏度高，抗干擾能力弱，易造成誤動作。5腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0。

??? 當(dāng)R6=200 kΩ時，f0=40 kHz。6腳與地之間接一個積分電容，標準值為330 pF。如果該電容值取得太大，會使探測距離變短。7腳是電路集電極開路輸出端，R7是該引腳的上拉電阻。集成電路CX20106A無信號輸入時，7腳輸出高電平，當(dāng)輸入的超聲波電信號經(jīng)放大、整形后，7腳輸出一個負脈沖電壓。
2．3 單片機控制電路和顯示、報警電路
??? 電路如圖4所示。由于系統(tǒng)用到單片機的輸入／輸出端口不多，在不考慮功能擴展時，從功能夠用和低成本的角度考慮，采用AT89C2051單片機作為控制電路的核心器件。AT89C2051單片機共有20個引腳，其中有15個I／O端口(P3．6無引出腳)。兩個16位定時器／計數(shù)器，其體積小、價格低。采用12 MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機的P3．3端口周期性的輸出一串40 kHz的矩形脈沖，通過雙路四選一模擬開關(guān)CD4052周期性地加到四路超聲波發(fā)射與回波接收電路。單片機的P3．4和P3．5端口輸出雙路四選一模擬開關(guān)CD4052的選通信號。單片機的P3．2端口為外部中斷0中斷申請信號輸入端。三位LED數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。U4的小數(shù)點常亮，U4的單位為m，U5的單位為dm，U6的單位為cm。采用有源蜂鳴器作為報警發(fā)音器件，一是器件成本低，二是便于動態(tài)掃描顯示的軟件編程。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計
??? 系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，方便擴展移植。采用匯編語言編程。主要有主程序、T0中斷服務(wù)程序、外部中斷0服務(wù)程序、超聲波發(fā)生子程序。

3．1 主程序
??? 本系統(tǒng)有四路測距通道，采用分時工作，按后左一后左中一后右中一后右順序循環(huán)測距。每一路發(fā)射超聲波后的等待外部中斷時間應(yīng)大于超聲波在最大有效探測距離內(nèi)往返時間。所以按最大有效探測距離可以估算出最短的循環(huán)間隔時間。因為超聲波在空氣中傳播能量會不斷衰減，所以超聲波測距存在最大有效探測距離。這最大有效探測距離與多種因數(shù)有關(guān)：
??? 與超聲波傳感器性能的好壞、與驅(qū)動超聲波傳感器的脈沖電壓幅值(功率)的大小、障礙物大小和形狀、障礙物吸波特性以及反射波與入射波之間的夾角、與超聲波放大和整形電路的靈敏度等有關(guān)。設(shè)定最大有效探測距離為8 m(收發(fā)一體封閉型超聲波傳感器比較難達到，實際上也沒有必要探測很遠的障礙物，只是設(shè)計留有裕量。由于顯示位數(shù)有限，也必須對最大探測距離做限制)，則循環(huán)工作的間隔時間Tm=2S／C=2×8／346A46 ms，加上避免接收超聲波傳感器余振的延時和程序執(zhí)行時間，留足裕量，設(shè)定Tm△56 ms。
??? 主程序流程圖如圖5所示。首先是對系統(tǒng)初始化。端口p1．0、P3．3置0；設(shè)置堆棧，中斷允許總控制位EA允許中斷(EA=1)；允許外部中斷0中斷(EX0=1)，采用邊沿觸發(fā)方式(IT0=1)；設(shè)置定時器T0允許中斷(ET0=1)，以16位工作方式定時約56 ms；設(shè)置定時器T1以16位工作方式定時／計數(shù)，計數(shù)初值0000H，然后啟動T0定時。設(shè)置顯示數(shù)據(jù)初值為三位BCD碼999(cm)，對應(yīng)字形段碼顯示“---”。四路探測處理完畢后，將四組數(shù)據(jù)中的最小值送入顯示緩沖區(qū)，通過LED數(shù)碼管顯示。同時該值與設(shè)定的100 cm值比較，若四組數(shù)據(jù)中的最小值小于100 cm，P3．7端口置0，Q2三極管導(dǎo)通，有源蜂鳴器得電發(fā)出報警聲。

??? 由于單片機采用12 MHz的晶振，1個機器周期為1μs，所以計數(shù)器每計一個數(shù)就是1μs，定時器T1工作模式設(shè)置為16位定時／計數(shù)器模式，則其最大定時65．536 ms。由于定時器T0每56 ms產(chǎn)生中斷，執(zhí)行T0中斷服務(wù)程序時停止T1計時，所以T1計時不會產(chǎn)生溢出中斷。一輪四路探測處理完畢所用時間大約是56 ms×4=224 ms，用時很短，而倒車速度又比較慢，所以可以做到實時動態(tài)顯示。
3．2 T0中斷服務(wù)程序
??? T0中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。每隔56 ms分別按后左→后左中→后右中→后右順序選通下一路超聲波發(fā)射與回波接收電路，調(diào)用超聲波發(fā)生子程序，送出16個40 kHz的超聲波脈沖電壓，定時器T1開始計時，定時器T0開始定時56 ms，使每路工作56 ms。

? 為了避免接收到超聲波傳感器余振的直射波產(chǎn)生的中斷申請，延時2．8 ms后，才允許外部中斷0中斷，等待接收返回的超聲波信號。所以，最小探測距離(盲區(qū))Smin=Ct／2=346×0．002 8／2△0．48 m。四路探測處理完畢，將四路中最小值送入顯示緩沖區(qū)。若在四路探測中有些路在有效探測范圍內(nèi)發(fā)射的超聲波未遇障礙物，無返回波，外部中斷0不產(chǎn)生中斷申請信號，或者是進入探測盲區(qū)，外部中斷0產(chǎn)生的中斷申請不被受理，則定時器T1計時到定時器T0產(chǎn)生中斷，在T0中斷服務(wù)程序中，用三位BCD碼999(三位十進制數(shù)最大值999 cm)置夠四組數(shù)據(jù)。若顯示緩沖區(qū)的四組數(shù)據(jù)都是999時，則對應(yīng)字形段碼顯示“---”。倒車伊始，LED數(shù)碼顯示器就顯示“-．--”，表明在安全距離內(nèi)沒有障礙物；若發(fā)出報警聲后，又顯示“-．--”，表明進入了探測盲區(qū)。
3．3 外部中斷0服務(wù)程序
??? 外部中斷O服務(wù)程序流程圖如圖7所示。單片機一旦接收到返回超聲波信號(即INT0引腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，立即進入外部中斷0服務(wù)程序。首先停止定時器T1計時，禁止外部中斷0中斷。然后將定時器T1中的數(shù)N，也即將超聲波往返所用的時間N(單位：μs)，按式S=CT／2=(346 x N×10-6)／2=173×N÷10 000計算，即得被測物的距離(單位：cm)，將計算結(jié)果以百位、十位、個位BCD碼方式送入比較大小的緩沖區(qū)，以備比較大小使用。然后等待定時器T0定時56 ms中斷的產(chǎn)生，繼續(xù)下一路的探測處理。

3．4 超聲波發(fā)生子程序
??? 超聲波發(fā)生子程序通過P3．3端口發(fā)送16個周期是25μs(即頻率40 kHz，1個周期內(nèi)高電平持續(xù)13μs、低電平持續(xù)12 μs)的矩形脈沖電壓。脈沖串個數(shù)在10～20個比較合適。脈沖個數(shù)太少，發(fā)射強度小，探測距離短；脈沖個數(shù)太多，發(fā)射持續(xù)時間長，在離障礙物距離近時，脈沖串尚未發(fā)射完畢，先發(fā)射出去的脈沖產(chǎn)生的回波就到達接收端，影響測距結(jié)果，造成測距盲區(qū)增大。

4 實現(xiàn)應(yīng)用分析
??? 本系統(tǒng)在實驗室條件下進行了可行性的研究設(shè)計，要實際應(yīng)用中就必須考慮測量精度和工作穩(wěn)定性的問題。因此，本系統(tǒng)可采取幾項措施來提高測量精度和工作穩(wěn)定性。
??? (1)超聲波的傳播速度與溫度有關(guān)。為了適應(yīng)不同環(huán)境溫度下的測距需要，提高測量精度，硬件電路上可增加檢測車外環(huán)境溫度的環(huán)節(jié)。單片機根據(jù)實測的溫度值，再計算確定超聲波的傳播速度，即C=331．4+0．6lt。t是環(huán)境溫度?；蛘咴诓辉黾佑布杀厩闆r下，可考慮通過實驗數(shù)據(jù)分析，找到測量值與實際值偏差特點和規(guī)律，通過軟件編程對測量數(shù)據(jù)進行校正處理。
??? (2)軟件設(shè)計中采用數(shù)字濾波中的算術(shù)平均濾波程序?qū)γ總€測距點進行連續(xù)多次測量，取平均值作為該測距點的測量數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)采樣的可靠性。要盡量減小探測盲區(qū)，所設(shè)定的延時時間可根據(jù)實際所用超聲波傳感器余振時間而定，可在實際調(diào)試中確定最小延時時間。
??? (3)倒車雷達安裝在車上，倒車雷達的工作環(huán)境非常惡劣，汽車倒車工作時，高壓點火產(chǎn)生很強的電磁輻射，會影響電路正常工作。所以在硬件及軟件方面要考慮采取抗干擾措施，提高系統(tǒng)工作的可靠性。如用金屬殼屏蔽電路，采用屏蔽線連接超聲波傳感器；在滿足測量距離的情況下，可適當(dāng)調(diào)大超聲波電信號放大和整形電路中檢波電容C3的容量。硬件上可增加“看門狗”電路，軟件設(shè)計添加指令冗余、軟件陷阱、或設(shè)置軟件“看門狗”，防止程序“跑飛”或者進入死循環(huán)。對于駕駛員來說，倒車時主要關(guān)心的是車后方有無障礙物、以及障礙物離車大約有多遠等問題。由于車子制動時存在慣性，倒車遇到障礙物時，駕駛員總要提前制動。考慮性價比，倒車雷達測量精度不必很高。但從倒車安全考慮，此時的測量顯示值寧大勿小。

5 結(jié) 語
??? 本系統(tǒng)充分利用了單片機的內(nèi)部資源，用軟件編程產(chǎn)生超聲波矩形脈沖，代替硬件的超聲波發(fā)生電路，節(jié)省了硬件成本。采用一塊集成器件實現(xiàn)超聲波接收放大和整形，避免了采用多級集成運放組成高增益放大電路易產(chǎn)生自激等問題。實驗表明設(shè)計可行。在不增加硬件成本時，通過完善軟件設(shè)計，可提高系統(tǒng)測量精度和工作的可靠性，能夠滿足使用要求。在考慮功能擴展時，可以采用帶“看門狗”的AT89S52單片機，以增加擴展端口。在超聲波測距的基礎(chǔ)上，如可增加防盜報警功能、車載蓄電池電壓檢測功能等，若增加微型攝像頭和小型液晶顯示器，便成為可直接觀察車后方的可視倒車雷達。本系統(tǒng)實用性強，性價比高。