基于超声波及单片机技术的交通风险语音警示系统

2016-12-01李金强毛宏黎重庆交通大学重庆400074

中国新技术新产品 2016年10期

李金强毛宏黎（重庆交通大学，重庆 400074）

李金强毛宏黎
（重庆交通大学，重庆 400074）

摘要：汽车是现代日常生活中最主要的交通工具，它带给人们方便，车辆交通风险也同样如影随形。研究表明，大多数事故都是由于人们的反应时间不够所造成的，努力提高人们的反应时间，增加风险感知并进行警示，有助于提早做出反应。本作品的汽车语音风险警示装置包含有单片机控制电路、超声波测距传感器、语音芯片等，该装置将各部件有机地结合起来，实现超声波测距测速及语音报警提示的功能，减少甚至避免事故的发生。

关键词：超声波；单片机；交通风险；语音测距；相对速度

一、研究背景

目前人们驾驶汽车行驶在道路上，仍然是以肉眼判断为主，观察路况，车间以信号灯进行信息传递。其次我国的车载道路交通预警系统比较落后，超声波技术一般只用到了倒车雷达当中，应用的范围还比较窄。在车辆中，大部分语音警示还是基于GPS的限速和超速提醒。目前汽车倒车雷达主要是具备数码管或者液晶屏的距离显示并且带有蜂鸣器的语音报警为主的汽车安全系统。车上安装有实时测量车距和前后车辆车速的装置还很少，大部分汽车都还没有自己的“眼睛”，而激光测距等设备成本较高，而且目前的报警系统大多是通过液晶数码管显示车速或者距离，容易分散驾驶员的注意力，造成很多事故。

二、设计原理

1 设计原理

本作品的汽车语音风险警示装置包含有单片机控制电路、超声波测距传感器、语音芯片等，该装置将各部件有机地结合起来，通过超声波的发射与接收，完成对速度的测量，同时单片机工作，完成语音播报的工程。本系统在工作的时候采用的是两个超声波探头分别进行超声波发射和接收来进行距离和相对速度的测量。本系统能测量前后车的速度和距离，当车距小于5m的时候语音提示实时距离及其相对速度，从而起到提示和报警的作用。本系统利用单片机对超声波信号循环不断地进行采集。系统包括超声波传感器、单片机控制、语音芯片。这个设计能够连续测距测速，数据经过单片机的处理后，进行语音播报警示。

1.1 超声波模块的选择

根据本系统的设计要求，应用T/R-40超声波传感器到本系统。

超声波发射过程：发射电路主要由超声波发射换能器T40和反相器74LS04构成。工作时单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路方波信号经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，采用推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，这样就可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间，另一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，

超声波接收过程：超声波接收电路由两级放大电路、超声波传感器和锁相环电路组成。由于超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，所以两级放大电路用于对传感器接收到的信号进行放大。当锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。由于发送的超声波频率为40kHz，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为40kHz，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为40kHz，则从8脚发出低电平中断请求信号送单片机P3.3端，单片机检测到低电平后停止定时器的工作。

1.2 单片机的选择

根据本系统设计的实际要求，选择AT89S51单片机作为本设计的单片机使用。51系列单片机在硬件结构、指令系统和片内资源等方面与标准的52系列的单片机可以完全兼容。51系列的单片机功耗低，执行速率很快，最高时钟频率可以达到90MHz，在应用、在系统都可以编程，不占用用户的资源。

1.3 语音芯片的选择

ISD2560语音芯片录放时间32s～120s，音质较好。该芯片内含振荡器，采用CMOS技术，具有自动增益控制、话筒前置放大、平滑滤波器、防混淆滤波器、扬声器驱动及EEPRIM阵列等特点。该语音芯片的采样频率为8kHz，相同系列的产品采样频率越低，录放时间越长，但是通频带和音质会有所降低。ISD2560可以重复录放10万次，它是一种永久记忆型语音录放电路，ISD2560省去了A/D和D/A转换器，集成度较高。

1.4 距离、相对速度计算的工作原理

系统对距离、速度进行测量时，由安装在同一水平线上的超声波传感器发射超声波，遇到障碍物后超声波被反射回来，被接收器接受，然后通过超声波反射的时间，确定距离。具体操作首先是由超声波发射探头向倒车的方向发射超声波，与此同时定时器开始工作，记录时间，超声波在空气中传播的途中只要遇到障碍物后就会被反射回来，当超声波接收器接收到反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时。这样，定时器就能够准确的记录下超声波发射点至所测量的障碍物之间往返传播所用的时间，通过得到的数据，运用固定的公式算出安全距离，并提示。

1.5 系统C程序设计

主程序首先会对整个系统进行初始化，删除必要的数据，然后将超声波的回波接收标志位置位，并且使单片机的某个端口输出一个低电平用来启动超声波发射电路，此时定时器开始工作，同时计算距离的子程序也开始工作，然后再根据定时器记录的时间计算出所需要测量的相对速度以及距离，再调用声音处理程序来报警。最后主程序通过对回波信号的接收，完成后续的工作，就这样，该系统会连续不断地运行，以两个测量周期为一个计算单位，计算出相对的速度，然后循环不断地进行此操作，最终完成对距离、速度的测量。该系统采用的是模块化设计方法，由超声波发生子程序、主超声波程序、距离计算子程序、超声波接收中断子程序等程序组成。

2 研究方法

通过查阅资料学习，了解超声波的物理性质和单片机的基础知识。其实很多方法都已经被专家们论证过，已经有了一定的成果，可以加以修改后使用。由于笔者能力有限，知识欠缺，只能对要用的知识进行简单修改和整理，应用到自己的想法当中。通过查阅每一个选用的器件的参数，看其是否符合主流的应用，能不能实现设计的要求。

三、创新特色

本作品基于单片机实现距离和相对速度的提示，将超声波测距和传感器联系在一起，利用单片机的实时控制和数据处理功能测量并提示汽车与障碍物之间的距离和相对于自己行车的速度。这样驾驶员就能直接判断汽车之间的距离。本装置的设计简易，完善度不高，但规模小，器件少、调试方便，成本也低，器件更换容易，并且不占用驾驶员的视觉空间，可以完全解除驾驶员在倒车过程中的顾虑和困扰，减少事故的发生。

四、应用前景

本作品的汽车交通风险提示系统设计主要是基于AT89C51单片机控制核心，同时是以超声波测距为主的语音报警系统。通过理论上大致的分析，设计方案基本可行。本系统工作时，通过超声波传感器完成对数据的采集，然后单片机开始工作，进行数据的计算以及处理，最后将结果通过语音芯片提示驾驶员。各个器件价格低廉，易于普及。科学技术在不断的发展，越来越多的超声波技术会出现在传感器中，超声波的应用可以极大的提高精度，而且设计简单，易于操作，但是目前我国在这方面的技术十分的有限，还不能够完全的制造超声波传感器，在不久的将来，超声波技术一定会以精确方便的优势满足各个行业的应用。本系统欠缺完善度，缺乏修正，忽略了温度的影响，精确度也比较低，但是作为安全辅助系统，配合以驾驶员的经验和主观判断，还是能够规避一定程度的风险，有比较广阔的应用前景的。

参考文献

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