張 欣，馮 雷，姜長坤

（長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車的數(shù)量也在快速增長。在享受汽車給我們帶來的便利的同時(shí)，倒車事故問題也日益突出。若車后方的障礙物處于駕駛員的視覺盲區(qū)時(shí)，會對駕駛員的泊車、倒車造成不便，甚至造成事故。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，大量的汽車事故是由汽車倒車“后視不良”造成的。目前，中、高檔小型汽車基本都配置了倒車?yán)走_(dá)，倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品的測距范圍集中在0.3～3m，價(jià)格在幾百元到上千元不等。出于對成本的考慮，許多經(jīng)濟(jì)型的小型汽車、大型貨車及客車等還沒有配備倒車?yán)走_(dá)［1－2］。本文設(shè)計(jì)了一套成本低、測量精度較高、穩(wěn)定性較好的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用超聲波傳感器測量距離，并配有語音芯片實(shí)時(shí)播報(bào)車后保險(xiǎn)杠與障礙物距離，為駕駛員提供了明確的距離提示，提高了倒車的安全性。具有語音提示功能的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

1 超聲波測距原理及誤差來源

超聲波測距的原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中遇到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波時(shí)就立即停止計(jì)時(shí)。于是利用超聲波在空氣中的傳播速度，以及超聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間差即可計(jì)算發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離，即時(shí)間差測距法。測距的公式為：

式中：L為要測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波傳播的時(shí)間差。

根據(jù)超聲波測距公式（1）可知，超聲波測距誤差主要是由超聲波的傳播時(shí)間誤差和傳播速度誤差引起的。

1）單片機(jī)選型對傳播時(shí)間誤差的影響。設(shè)超聲波傳播速度是準(zhǔn)確的，則測量距離的傳播時(shí)間差精度只要達(dá)到微秒（μs）級，就能在理論上保證測距誤差小于1mm。使用的12MHz晶體作為時(shí)鐘基準(zhǔn)的STC89C52單片機(jī)定時(shí)器能方便地定時(shí)到1μs的精度，可以保證測距精度。

2）環(huán)境溫度對傳播速度誤差的影響。超聲波的傳播速度主要受溫度的影響，它們之間的近似關(guān)系為：

式中T為實(shí)際環(huán)境溫度。

若想提高超聲波測距精度，就必須對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償［3－4］。

3）超聲波波束的入射角引起的誤差。當(dāng)反射波入射到探頭的角度不是直角時(shí)，系統(tǒng)測量到的距離是障礙物與探頭之間的距離，而不是與保險(xiǎn)杠的垂直距離，這會引起測量誤差。當(dāng)車尾與障礙物的距離較小的時(shí)候，此誤差會成為測距的主要誤差來源［4］。設(shè)計(jì)中通過在汽車車尾處安裝3個(gè)或以上的探頭個(gè)數(shù)來減小該誤差。

此外，有一部分從發(fā)射探頭直接傳到接收探頭的直達(dá)波會干擾回波信號的檢測。這種干擾可通過軟件算法進(jìn)行處理；反射物體表面材料的介質(zhì)也會引起誤差，反射物體表面是光滑的介質(zhì)，比粗糙的介質(zhì)測量效果更好。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，使用超聲波傳感器檢測車尾與后方障礙物的距離，并使用語音芯片ISD1700進(jìn)行語音播報(bào)實(shí)時(shí)距離，當(dāng)距離達(dá)到一定閾值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。系統(tǒng)配有溫度傳感器電路測量環(huán)境溫度，對超聲波傳播速度進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。啟動超聲波測距時(shí)，首先由STC89C52單片機(jī)發(fā)出40kHz的脈沖串，每20個(gè)脈沖為一串，脈沖串通過超聲波發(fā)射電路驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；超聲波遇到障礙物后所產(chǎn)生的回波被超聲波接收探頭接收，其輸出的正弦波經(jīng)過三級放大，再經(jīng)過電壓比較器產(chǎn)生中斷信號中斷單片機(jī)的計(jì)時(shí)，這樣就得到了超聲波的傳輸時(shí)間，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)測出的時(shí)間差及溫度補(bǔ)償后的傳播速度計(jì)算出車尾與后方障礙物的距離。中斷返回后再發(fā)送下一串脈沖，并用語音芯片ISD1700播報(bào)實(shí)時(shí)的距離，當(dāng)距離達(dá)到一定限度時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.1 超聲波發(fā)射及接收電路的設(shè)計(jì)［5］

超聲波發(fā)射探頭選用CSB40T，這里采用軟件發(fā)生法產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波，電路如圖2所示。利用NE555P的基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波，R15為可調(diào)電阻，用來調(diào)節(jié)信號頻率。為保證NE555P有足夠的驅(qū)動能力，采用12V電源，TRIG為超聲波發(fā)射控制信號，由STC89C52單片機(jī)控制。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

圖2 超聲波發(fā)射電路

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路3部分。超聲波接收探頭選用CSB40R。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此需經(jīng)放大電路放大。此外正弦波信號不能直接由單片機(jī)接收處理，因此需進(jìn)行波形變換。根據(jù)超聲波測距原理，單片機(jī)只需要第一個(gè)回波的時(shí)刻。超聲波接收電路如圖3所示。信號放大和變換采用四級運(yùn)算放大器，前三級為放大器設(shè)計(jì)，后一級為比較器設(shè)計(jì)。放大電路采用單電源供電。為滿足交流信號的需要，每一級的放大器均采用阻容電路進(jìn)行電平偏移，即圖3中的C11、C12、C18和C19，容量均為10μF，實(shí)現(xiàn)單電源條件下交流信號放大。

圖3 超聲波接收電路

2.2 溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

由于溫度對聲速的影響較大，為了提高系統(tǒng)的測量精度，需要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。這里采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量環(huán)境溫度，直接輸出數(shù)字量，便于單片機(jī)處理及控制，節(jié)省硬件電路。DS18B20與單片機(jī)接口電路如圖4所示。DS18B20采用單總線方式和STC89C52單片機(jī)相連，即DS18B20的2腳接至STC89C52的I／O引腳，且需接一個(gè)上拉電阻。

2.3 語音播報(bào)電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ISD1700語音芯片進(jìn)行語音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，ISD1700系列語音芯片是一種高集成度、高性能的芯片，有較好的音質(zhì)和斷電存儲功能，可以實(shí)現(xiàn)多段錄音，能夠滿足系統(tǒng)要求。ISD1700語音播報(bào)電路如圖5所示。單片機(jī)的P1.0接ISD1700的片選引腳／SS，控制芯片是否選通；P1.1接ISD1700的串行時(shí)鐘引腳SLCK；P1.2接ISD1700串行輸入引腳MOSI，從該引腳讀入錄放音的地址；P1.3接ISD1700的串行輸出引腳MISO。

語音播報(bào)電路的主要作用是在汽車倒車過程中，為駕駛員提供語音提示，使其及時(shí)獲知汽車與障礙物之間的距離。當(dāng)?shù)管嚲嚯x大于3m時(shí)，語音提示為“請放心倒車”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x為3m、2m、1m及0.8m 時(shí)，語音提示為 “3m”、“2m”、“1m”、“0.8m”；當(dāng)?shù)管嚲嚯x小于等于0.5m時(shí)，語音提示為“危險(xiǎn)！緊急停車”。

圖4 溫度補(bǔ)償電路

圖5 語音播報(bào)電路

此外系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警電路、液晶顯示電路及鍵盤電路。聲光報(bào)警電路主要是配合語音播報(bào)電路，通過不同的蜂鳴聲音及不同顏色的指示燈也可提示駕駛員倒車距離。液晶電路主要用于顯示實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度、車尾與后方障礙物的實(shí)時(shí)距離等信息。鍵盤電路是為用戶提供按鍵操作，確定系統(tǒng)工作在用戶選定功能模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)功能復(fù)雜、信息量大、程序較長，因此采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)模塊分為主控模塊、超聲波測距模塊、溫度補(bǔ)償模塊、顯示模塊、語音播報(bào)模塊、聲光報(bào)警模塊及按鍵模塊等。系統(tǒng)采用C語言編寫程序，主程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)性能測試

具有語音提示功能的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)以超聲波測距傳感器為主體，其中超聲波發(fā)射和接收探頭采用CSB40T和CSB40R，頻率為40kHz，安裝時(shí)保持2探頭中心軸線平行并相距0.03～0.08m。超聲波測距范圍的最小值是由盲區(qū)決定的，為了避開超聲波的余震，通過實(shí)際測量，設(shè)定最小值為0.2m。測距最大范圍由超聲波發(fā)射模塊的功率決定，設(shè)定最大值為4m。實(shí)際系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)見表1。

圖6 主程序流程圖

5 結(jié)論

根據(jù)系統(tǒng)測試結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)測距范圍在0.2～3.4m內(nèi)滿足測量精度為1%的基本要求。

2）在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)，測距的平均絕對誤差為0.015m；

3）在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)，測距的平均相對誤差為1%；

綜上所述，所設(shè)計(jì)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，制作成本可限制在100元／套以內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)測試中取得了較好的效果。該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出汽車尾部與障礙物的距離并實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)達(dá)到一定危險(xiǎn)距離時(shí)進(jìn)行語音提示，實(shí)現(xiàn)了提高倒車安全性的目的。

表1 系統(tǒng)測試

［1］秦偉，顏文俊.基于CX20106A的超聲波倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)［J］.壓電與聲光，2011，33（1）：161－164.

［2］楊旺喜，茅嘉偉，沈明明，等.基于單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2014（9）：12－13.

［3］張攀峰，王玉萍，張健，等.帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距儀的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（6）：1717－1719.

［4］趙海，張寬，朱劍，等.基于TDOA的超聲波測距誤差分析與改進(jìn)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（6）：802－805.

［5］滕志軍.基于超聲波檢測的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)［J］.今日電子，2006（9）：78－83.