超声车距预警系统设计

摘要：设计一种超声车距预警系统，该系统采用单片机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警。该设计采用三传感器接收系统解决了障碍物的二维定位问题，并对所使用的车距预警系统进行了误差分析。
关键词：车距预警；超声波测距；单片机控制；二维定位

0 引言
    随着汽车工业的发展，汽车不再是单纯的机械产品，而是各种科技集中的载体。车距预警系统的开发也成为提高汽车智能化的重要内容之一。该系统的运用可极大地降低倒车难度，避免驾驶员因方向感不强、判断和操作失误而引起事故，同时它将对提高汽车智能化水平和最终实现汽车无人驾驶产生积极的意义。
    本文选择了现阶段广泛应用于车距预警系统中的超声波测距。超声波测距的成本较低，容易实现，可靠性较高。本设计可测量的范围为0．39～10．3 m，除了基本的超声波测距电路外，还有测温电路、车速检测电路、电源模块及语音报警电路。并且，系统采用三接收传感器的设计方案来确定障碍物的空间三维坐标位置。本设计具有操作简便、工作稳定可靠、检测速度快和成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。

1 超声波测距仪工作原理
    本文的超声波测距中采用渡越时间检测法，发射器发射超声波，经过障碍物反射后被接收器接收，测量发射器发射和接收器接收超声波的时间差为t，同时，超声波在空气中的传播速度c受环境温度τ的影响较大，考虑了环境温度对传播速度的影响后，距离公式为：
   
    本设计选用频率为40 kHz左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。同时，超声波探头(即超声波传感器)采用的是防水型收发一体式双晶片压电振动式超声换能器TCF40-25TR，其中心频率为(40±1)kHz，恰好适用于本设计的超声波频率。

2 车距预警系统的原理分析与硬件设计
    在完成超声波测距的理论分析后，需要将超声波测距的硬件安装在车尾，这就需要进一步分析和设计车距预警系统。
2．1 车距预警系统的原理分析
    超声波测距的目的是为了测得超声波探头到障碍物之间的距离，但是超声波测距系统无法对障碍物进行空间二维甚至是平面二维的定位。为了解决这个问题，本设计提出了三接收传感器的设计方案来确定障碍物的平面二维坐标位置。
    若安装的位置间距不同，三个接收器探头接收回来的时间值是不一样的。由三个接收探头和超声波反射点可以确定一个空间四面体的全部边长参数，根据几何关系，通过这几个边长参数，可以求得超声波反射点的坐标值，亦即障碍物的具体位置。

    如图1所示为车距预警系统的硬件结构设计，分别有单片机及其外围电路、超声波发射电路、超声波接收电路、测温电路、电源电路、车速检测电路和语音报警电路。
2．2 车距预警系统的硬件设计
2．2．1 单片机及其外围电路的设计
    在本设计中，主控芯片选择的是单片机AT89S52。最小系统由AT89S52芯片以及外围电路组成(如图2所示)，是整个超声波测距系统的核心部分。

2．2．2 超声波发射电路
    超声波发射电路在测距时通过方波发生器产生脉冲信号，从而激发压电换能器发射超声波。为了提高超声波的发送能力，让其可以传输更远的距离，需要对信号电压进行放大。本文选择NE555芯片搭建超声波发射电路，用MAX232对电路进行升压，只需要+5 V电源供电。因此，超声波发射电路主要包括方波发生器和升压电路，如图3所示。

2．2．3 超声波接收电路
    超声波接收电路的作用是将超声波探头接收到的微弱信号放大、滤波和整形后，输出台阶信号，提示单片机计算超声波在空气中的传播时间t。本设计中，超声波接收部分采用红外遥控调制芯片CX20106A，其调制频率为38～40 kHz，采用脉冲位置调制法(PPM)，提高了红外接收的抗干扰性能。由于在接收电路中产生的回波信号是模拟信号，若想要将此模拟信号传送到AT89S52这样的数字系统中，需要有隔离传输，又因为超声波电信号的频率很高，因而本设计加入了光耦芯片6N137以方便信号能够可靠的传送。
    由于车距预警系统设置了三个接收探头，这三个接收探头都必须可以申请中断，并且系统需要检测回波是哪个探头产生的，同时还需要屏蔽掉已经检测到回波的接收探头传回来的回波信号。因此，本设计采用了三个与门74HC11，将它与三路回波信号进行与后再输入控制芯片。车距预警系统的超声波接收电路如图4所示。

2．2．4 测温电路
    本设计采用的温度传感器是DS18B20。它无需任何外围硬件，直接将温度数字信号输入单片机P1．1口。同时，该芯片可从单片机I／O口取电，而无需额外电源。DS18B20每块芯片拥有其独一的ID号码，测温范围为-55～+125℃，适用电压范围为3．0～5．5 V。测温电路如图5所示。

2．2．5 电源模块设计
    整个系统总电源(即车载电平)是+12 V或+24 V，但本设计系统中的芯片均工作在+5 V左右电压下，因此需要有一个电源模块可以为系统提供+5 V的电压。本设计选用电源模块ZUS32405来为系统提供电压。该模块可以将+12 V或+24 V电压转换成+5 V电压。模块ZUS32405是开关电源，输出端会有一定的波纹噪声，并且模块没有反相保护和过电压保护。因此，在使用电源模块ZUS32405时，需要在输入端加上过电压保护和反相保护，在输出端并联一定值的电容用以消除各频率段的纹波噪声的影响。TVS管(即瞬态电压抑制器)可以作为电源模块的反相保护和过电压保护器件。本设计的TVS管采用P6KE39A。电源模块电路如图6所示。

2．2．6 车速检测电路
    由于车辆是在不断的行进中的，每一时刻相对于障碍物的位置都不相同，因此，需要加一个车速检测电路，用以测出车速，从而对障碍物的距离作出准确判断。本设计采用车速传感器NT-GTS-364，该款车速传感器的工作原理是，车速传感器正前端是金属，这时产生一个高电平，当距离不在(1．2±0．4)mm范围内时，会产生一个低电平，从而产生脉冲。车速传感器一般安装在齿轮变速箱输出轴的测速齿轮附近。
车速传感器的外围电路如图7所示。由于系统所需的供电电源为5 V，而车速传感器需要有24 V的电源接入，因此车速传感器与主控芯片中间需要通过光电耦合器TLP521-1。

2．2．7 语音预警电路
    本系统采用ISD4004语音芯片进行语音报警电路的设计，该芯片可实现分段录放。语音电路的主要作用是在车距预警过程中，根据倒车的距离段不同为驾驶员提供不同的人性化的语音提示，使倒车、泊车等动作顺利完成。其可实现录音、放音、复位和静音功能。
    单片机的P2.4接ISD4004的片选引脚SS，控制ISD4004是否选通；P1.5接ISD4004的串行输入引脚MOSI，从该引脚读入录放音的地址；P1.6接ISD4004的串行输出引脚MISO；P1．7接ISD4004的串行时钟引脚SLCK。单片机AT89S52的P2．5接录音按钮S3，按下时对ISD4004进行录音操作；P2．6接放音按钮，按下时对ISD4004进行放音操作；P2．7接STOP按钮，用来对ISD4004进行复位。此外，ISD4004的音频信号输出引脚AUDOUT通过一个滤波电容，经低压音频功率放大器LM386后与喇叭相连；MIC接ISD4004的录音信号输入端(ANA IN-，ANA IN+)；AMCAP为自动静音端，使用时通过一个1 μF电容接地。

    当车与障碍物的距离大于3 m时，语音提示为“请放心行驶”；当倒车距离等于2 m时，语音提示“2 m，2 m”；当倒车距离为1．5m时，语音提示为“减速!减速”；当倒车距离小于等于0．5 m时，语音提示为“危险；停车”。语音预警电路如图8所示。

3 车距预警系统的软件设计
    软件系统设计采用C语言编程。软件系统主要包括主程序、定时中断程序、外部中断程序以及以上三个程序需要调用的若干个子程序，有测温子程序、车速检测子程序、距离计算子程序以及语音预警子程序。主程序的作用是完成系统的初始化、读取温度和计算距离值等。定时中断程序主要是用来界定在不同的工作时段内限定超声波的发射和接收。外部中断程序的作用是接收从CX20106A输出的反射波信号，从而知道反射波的时刻。软件设计流程图如图9所示。

4 结论
    本系统在测距过程中，不可避免地会存在测量误差，产生测量误差的主要原因如下：测量基准误差、原理误差、超声波回波时间测定的影响、超声波传播速度的影响、测距盲区的影响、衰减导致的误差等。
    本文设计了一种车距预警系统。设计中采用数字温度传感器DS18B20为温度补偿电路，提高了测量精度和智能化程度；采用电源模块降压，使系统能在合适电压下正常工作；采用车速传感器测出车速，可准确测量车辆与障碍物间的相对位置；还有语音电路对驾驶员进行报警，实现系统智能化。并且，系统采用三接收传感器的设计方案来确定障碍物的空间三维坐标，准确判断障碍物位置。本车距预警系统经试验运行良好，性能优良、成本低、测距快，是安装在汽车用以测距的好选择。