李金強(qiáng) 毛宏黎（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

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基于超聲波及單片機(jī)技術(shù)的交通風(fēng)險(xiǎn)語(yǔ)音警示系統(tǒng)

李金強(qiáng) 毛宏黎
（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

摘 要：汽車是現(xiàn)代日常生活中最主要的交通工具，它帶給人們方便，車輛交通風(fēng)險(xiǎn)也同樣如影隨形。研究表明，大多數(shù)事故都是由于人們的反應(yīng)時(shí)間不夠所造成的，努力提高人們的反應(yīng)時(shí)間，增加風(fēng)險(xiǎn)感知并進(jìn)行警示，有助于提早做出反應(yīng)。本作品的汽車語(yǔ)音風(fēng)險(xiǎn)警示裝置包含有單片機(jī)控制電路、超聲波測(cè)距傳感器、語(yǔ)音芯片等，該裝置將各部件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距測(cè)速及語(yǔ)音報(bào)警提示的功能，減少甚至避免事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：超聲波；單片機(jī)；交通風(fēng)險(xiǎn)；語(yǔ)音測(cè)距；相對(duì)速度

一、研究背景

目前人們駕駛汽車行駛在道路上，仍然是以肉眼判斷為主，觀察路況，車間以信號(hào)燈進(jìn)行信息傳遞。其次我國(guó)的車載道路交通預(yù)警系統(tǒng)比較落后，超聲波技術(shù)一般只用到了倒車?yán)走_(dá)當(dāng)中，應(yīng)用的范圍還比較窄。在車輛中，大部分語(yǔ)音警示還是基于GPS的限速和超速提醒。目前汽車倒車?yán)走_(dá)主要是具備數(shù)碼管或者液晶屏的距離顯示并且?guī)в蟹澍Q器的語(yǔ)音報(bào)警為主的汽車安全系統(tǒng)。車上安裝有實(shí)時(shí)測(cè)量車距和前后車輛車速的裝置還很少，大部分汽車都還沒(méi)有自己的“眼睛”，而激光測(cè)距等設(shè)備成本較高，而且目前的報(bào)警系統(tǒng)大多是通過(guò)液晶數(shù)碼管顯示車速或者距離，容易分散駕駛員的注意力，造成很多事故。

二、設(shè)計(jì)原理

1 設(shè)計(jì)原理

本作品的汽車語(yǔ)音風(fēng)險(xiǎn)警示裝置包含有單片機(jī)控制電路、超聲波測(cè)距傳感器、語(yǔ)音芯片等，該裝置將各部件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)超聲波的發(fā)射與接收，完成對(duì)速度的測(cè)量，同時(shí)單片機(jī)工作，完成語(yǔ)音播報(bào)的工程。本系統(tǒng)在工作的時(shí)候采用的是兩個(gè)超聲波探頭分別進(jìn)行超聲波發(fā)射和接收來(lái)進(jìn)行距離和相對(duì)速度的測(cè)量。本系統(tǒng)能測(cè)量前后車的速度和距離，當(dāng)車距小于5m的時(shí)候語(yǔ)音提示實(shí)時(shí)距離及其相對(duì)速度，從而起到提示和報(bào)警的作用。本系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)超聲波信號(hào)循環(huán)不斷地進(jìn)行采集。系統(tǒng)包括超聲波傳感器、單片機(jī)控制、語(yǔ)音芯片。這個(gè)設(shè)計(jì)能夠連續(xù)測(cè)距測(cè)速，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理后，進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)警示。

1.1 超聲波模塊的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用T/R-40超聲波傳感器到本系統(tǒng)。

超聲波發(fā)射過(guò)程：發(fā)射電路主要由超聲波發(fā)射換能器T40和反相器74LS04構(gòu)成。工作時(shí)單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路方波信號(hào)經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，采用推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，這樣就可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1、R2一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間，另一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，

超聲波接收過(guò)程：超聲波接收電路由兩級(jí)放大電路、超聲波傳感器和鎖相環(huán)電路組成。由于超聲波傳感器接收到的反射波信號(hào)非常微弱，所以兩級(jí)放大電路用于對(duì)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)鎖相環(huán)電路接收到頻率符合要求的信號(hào)后向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。由于發(fā)送的超聲波頻率為40kHz，幫調(diào)整相關(guān)元件使鎖相環(huán)的中心頻率為40kHz，只響應(yīng)該頻率的信號(hào)，避免了其他頻率信號(hào)的干擾。當(dāng)超聲波傳感器接收到超聲波信號(hào)后，送入兩級(jí)放大器放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)檢波，如果頻率為40kHz，則從8腳發(fā)出低電平中斷請(qǐng)求信號(hào)送單片機(jī)P3.3端，單片機(jī)檢測(cè)到低電平后停止定時(shí)器的工作。

1.2 單片機(jī)的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，選擇AT89S51單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)使用。51系列單片機(jī)在硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和片內(nèi)資源等方面與標(biāo)準(zhǔn)的52系列的單片機(jī)可以完全兼容。51系列的單片機(jī)功耗低，執(zhí)行速率很快，最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到90MHz，在應(yīng)用、在系統(tǒng)都可以編程，不占用用戶的資源。

1.3 語(yǔ)音芯片的選擇

ISD2560語(yǔ)音芯片錄放時(shí)間32s～120s，音質(zhì)較好。該芯片內(nèi)含振蕩器，采用CMOS技術(shù)，具有自動(dòng)增益控制、話筒前置放大、平滑濾波器、防混淆濾波器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及EEPRIM陣列等特點(diǎn)。該語(yǔ)音芯片的采樣頻率為8kHz，相同系列的產(chǎn)品采樣頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，但是通頻帶和音質(zhì)會(huì)有所降低。ISD2560可以重復(fù)錄放10萬(wàn)次，它是一種永久記憶型語(yǔ)音錄放電路，ISD2560省去了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，集成度較高。

1.4 距離、相對(duì)速度計(jì)算的工作原理

系統(tǒng)對(duì)距離、速度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由安裝在同一水平線上的超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到障礙物后超聲波被反射回來(lái)，被接收器接受，然后通過(guò)超聲波反射的時(shí)間，確定距離。具體操作首先是由超聲波發(fā)射探頭向倒車的方向發(fā)射超聲波，與此同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始工作，記錄時(shí)間，超聲波在空氣中傳播的途中只要遇到障礙物后就會(huì)被反射回來(lái)，當(dāng)超聲波接收器接收到反射波后就會(huì)給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計(jì)時(shí)。這樣，定時(shí)器就能夠準(zhǔn)確的記錄下超聲波發(fā)射點(diǎn)至所測(cè)量的障礙物之間往返傳播所用的時(shí)間，通過(guò)得到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用固定的公式算出安全距離，并提示。

1.5 系統(tǒng)C程序設(shè)計(jì)

主程序首先會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，刪除必要的數(shù)據(jù)，然后將超聲波的回波接收標(biāo)志位置位，并且使單片機(jī)的某個(gè)端口輸出一個(gè)低電平用來(lái)啟動(dòng)超聲波發(fā)射電路，此時(shí)定時(shí)器開(kāi)始工作，同時(shí)計(jì)算距離的子程序也開(kāi)始工作，然后再根據(jù)定時(shí)器記錄的時(shí)間計(jì)算出所需要測(cè)量的相對(duì)速度以及距離，再調(diào)用聲音處理程序來(lái)報(bào)警。最后主程序通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的接收，完成后續(xù)的工作，就這樣，該系統(tǒng)會(huì)連續(xù)不斷地運(yùn)行，以兩個(gè)測(cè)量周期為一個(gè)計(jì)算單位，計(jì)算出相對(duì)的速度，然后循環(huán)不斷地進(jìn)行此操作，最終完成對(duì)距離、速度的測(cè)量。該系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計(jì)方法，由超聲波發(fā)生子程序、主超聲波程序、距離計(jì)算子程序、超聲波接收中斷子程序等程序組成。

2 研究方法

通過(guò)查閱資料學(xué)習(xí)，了解超聲波的物理性質(zhì)和單片機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)。其實(shí)很多方法都已經(jīng)被專家們論證過(guò)，已經(jīng)有了一定的成果，可以加以修改后使用。由于筆者能力有限，知識(shí)欠缺，只能對(duì)要用的知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改和整理，應(yīng)用到自己的想法當(dāng)中。通過(guò)查閱每一個(gè)選用的器件的參數(shù)，看其是否符合主流的應(yīng)用，能不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。

三、創(chuàng)新特色

本作品基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)距離和相對(duì)速度的提示，將超聲波測(cè)距和傳感器聯(lián)系在一起，利用單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理功能測(cè)量并提示汽車與障礙物之間的距離和相對(duì)于自己行車的速度。這樣駕駛員就能直接判斷汽車之間的距離。本裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易，完善度不高，但規(guī)模小，器件少、調(diào)試方便，成本也低，器件更換容易，并且不占用駕駛員的視覺(jué)空間，可以完全解除駕駛員在倒車過(guò)程中的顧慮和困擾，減少事故的發(fā)生。

四、應(yīng)用前景

本作品的汽車交通風(fēng)險(xiǎn)提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是基于AT89C51單片機(jī)控制核心，同時(shí)是以超聲波測(cè)距為主的語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)理論上大致的分析，設(shè)計(jì)方案基本可行。本系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)超聲波傳感器完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集，然后單片機(jī)開(kāi)始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算以及處理，最后將結(jié)果通過(guò)語(yǔ)音芯片提示駕駛員。各個(gè)器件價(jià)格低廉，易于普及?？茖W(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展，越來(lái)越多的超聲波技術(shù)會(huì)出現(xiàn)在傳感器中，超聲波的應(yīng)用可以極大的提高精度，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于操作，但是目前我國(guó)在這方面的技術(shù)十分的有限，還不能夠完全的制造超聲波傳感器，在不久的將來(lái)，超聲波技術(shù)一定會(huì)以精確方便的優(yōu)勢(shì)滿足各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。本系統(tǒng)欠缺完善度，缺乏修正，忽略了溫度的影響，精確度也比較低，但是作為安全輔助系統(tǒng)，配合以駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，還是能夠規(guī)避一定程度的風(fēng)險(xiǎn)，有比較廣闊的應(yīng)用前景的。

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中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A