基于单片机的车辆倒车防撞系统设计与实现

赵宗坤

（武昌工学院智能制造学院，湖北武汉，430065）

0 引言

随着人民生活水平的提高，人民群众拥有私家汽车的数量逐年增多。但司机在驾车行驶过程中，发生碰碰撞撞在所难免，为了保障行车的稳定性，设计一款汽车倒车防撞系统。而超声波测距相较于其他的非接触式测距而言，有着一定的优势，如电磁会受到电磁的干扰，光线会受到阳光和雾霾的影响。这些对超声波来说都不具有影响，对各种恶劣的环境都有一定的适应能力。目前我国的非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达，红外线等。相比超声波，制作雷达或激光测距仪的成本过高，还有红外线测距仪的测距距离又偏短。因此，以超声波作为测距工具已越来越受到我国的关注，应用的领域也越来越广，包括机器人行走，自动导航，水位监测等。随着自动驾驶汽车作为如今汽车领域研究的热点，能够自动避开障碍的技术也越来越受到关注。作为自动驾驶技术的领跑者，美国特斯拉公司已经研发出一套自动驾驶系统，包括8 个摄像头、12 个超声波传感器、一个雷达、一个强大的计算机芯片和大量软件开发。其不仅可以使驾驶员在疲劳的时候放手小憩，而且对于一些非常难停的车位，也能依靠这套系统，实现自主停车，充分解决了司机停车难，易剐蹭的倒车难题。而我国虽然在自动驾驶方面的研究落后于国外，但是我国也研发出了半自动的辅助驾驶系统，如最新上市的宝骏RS-5，其包含77GHz 毫米波雷达，再加上高清摄像头，从而实现ACC 自适应巡航、主动刹车和车道保持等多达14 项智能驾驶辅助功能。大大提高了汽车在行驶或者倒车过程中的安全性。

1 系统总体设计

为了节约成本，减少外部因素的干扰，本系统在比较各种测距工具后选择了以超声波来作为测距工具。

本设计主要包括：单片机最小系统、电源模块、液晶LCD显示器超、声波模块、WT588D 语音模块。

如图1 所示，单片机最小系统在本设计中就是控制核心，而汽车在倒车过程中，超声波一直作为测距工具实时反馈数据，并且每3 秒自动更新一次，然后单片机根据接受到数据，以数字的形式在LCD1602 液晶显示屏上显示，然后WT588D 语音模块把汽车和障碍物之间的距离用语音播报出来。

图1 系统总体设计

2 硬件系统

2.1 单片机最小系统

单片机的最小系统由复位电路、单片机和时钟电路组成，电路图如图2 所示。在单片机外界加一个5V 的电源。是因为单片机工作所需的最多电压为5.5V,最低的电压也要4V。单片机中的VCC 部分要和5V 的正极相连接，VSS 则是接地的一端。确定单片机的工作是否处于开始状态，都得复位电路来决定。当MCU 上电时，它会产生一个复位信号，MCU开始确定MCU 的初始工作状态。当MCU 系统运行且程序由于外部环境的干扰而运行时，复位按钮内的程序从头开始自动执行。通常，外部按钮的上电和手动复位有自动复位功能。当时钟电路开始工作，此时，RESET 端子连续提供2 个机器周期的高电平，MCU 复位操作就完成了。外部的那个手动按钮就是复位电路的按钮，需要与上拉电阻连接以增加输出高电平的值。时钟电路就像微控制器的核心，它控制着微控制器的工作节奏。时钟电路同时也可看作一个振荡电路，微控制器收到它所提供的正弦波信号，一次来作为标准，然后来决定执行速度是快还是慢。XTAL1 对应反相放大器的输入，而XTAL2 则是对应输出，片内振荡器的配置都是由它们来完成的。在外部时钟源被驱动器件使用的情况下，XTAL2 就不用连接了。由于一个机器周期等于6 个状态周期，2 个振荡周期又一个状态周期相等，所以一个机器周期等于12 个振荡周期。假设一个振荡周期的值为1/12us，那么就可以得出外部石英晶体振荡器的振荡频率是12MHz。

2.2 电源电路模块

电源部分的设计由6 节5 号干电池供电9V，由LM7805稳压器模块调节为5V 电源，为MCU 和每个模块供电。该电路由电源开关，稳压器模块，电阻器，电容器和发光二极管组成。该电容器主要用于过滤超声波和单片机模块，以提供稳定的电源。具体电路如图3 所示。

2.3 液晶显示模块

为了得到更加清晰和精准的数字，选择采用LCD1602 来作为显示屏。这样有利于司机进行判断。电路如图4 所示，图中的液晶的RS、RW、EN 叫做命令操作脚,P1 则是数据接口。

图4 液晶显示模块

2.4 超声波测试模块

一个超声波模块的组成包括超声波发射器，接收器和控制电路。其距离感应最远为8.88m ，最近为0.04m，采用的是非接触式的方式，精度保持在3mm 左右。基本工作原理：首先是IO端口TRIG被触发测距，给出一个至少10us高电平信号。8 个40KHZ 方波也会由模块来自动发射，自动检测是否有信号返回；如果有信号返回，IO 口ECHO 就会输出一个高电平。高电平持续的时间为多久，超声波从发射到返回的时间就是多久。超声波传感器有两个探头，一个负责发射，一个负责接收，这两个过程都是由其内部的压电晶片完成的。

3 软件系统

3.1 主程序流程图

如图5 所示，当程序运行开始的时候，单片机首先进行初始化，然后判断自动播放按键是否按下，如果没有按下，就要手动按下播放键，这时，超声波测距仪开始工作，发送超声波，在碰到障碍物后返回，然后超声波测距仪开始计算与障碍物的距离，然后将数据传输到液晶显示器上显示距离，同时通过语音播报器告知驾驶员安全距离还有多少，这个过程每隔3 秒自动更新一次。超声波传感器的发射探头发射出声波，单片机内部定时器就开始计时，当接收探头检测到信号返回时，定时器停止计时，定时器计时的这段时间就是声波传送的时间，然后根据公式就可以计算出汽车与障碍物之间的距离。

图5 主程序流程设计图

3.2 超声波程序流程图

如图6 所示，当程序启动时，IO 口触发，给Trig 口至少10us 的高电平，超声波测距仪开始工作。此时，定时器0 关闭，计数器清零。信号返回时，先判断I/O 口ECH0 是否输出为高电平，如果不是，则返回重新判断，如果是，启动定时器0，定时器0 启动开始计时,。然后判断I/O 口ECH0 输出的是不是低电平，如果不是，返回判断，如果是，关闭定时器0，停止计时。由高电平到低电平的这段持续时间就是超声波从发射到返回的时间。然后计算出时间，重新开始测距。

图6 超声波程序设计图

单片机的编程，设计涉及到很多模块，单片机模块、LED液晶显示模块、WT588D 语音模块等，采用C 语言编程，对于超声波测距，要设定一个固定值，是的超声波能够一直循环测距，而不是一次性测距，本系统设定的时间为3S，为了对司机有非常清楚的提示，不仅要在液晶显示屏上显示出来，而且还得通过语音播报进行语音提醒，所以，在设计时，要确保到声波传回来的时，要把数据用显示屏和语音播报同时提示，确保不会发生语音播报后，显示屏缺没有数据显示的情况，对于测距，要利用单片机I/O 口的触发，激活超声波，同时，确保单片机定时器对声波从发射到返回这段时间的记录，然后通过时间数据来计算出汽车和障碍物之间的距离。

4 实物测试

如图7 所示，为实物调试效果示意图，汽车与障碍物的距离实时显示在LED 显示器上面，此为超声波能够测出的最远距离，当超出这个距离的时候，语音模块就会发出“超出量程”的提示，说明已超出超声波所能测出的距离，但小于这个距离时，超声波重新开始测距，依然是每3 秒更新一次，司机也能在这个距离里有操作反馈。

图7 最远距离测试显示

图8 最近距离测距显示

图中的黄色信号灯为语音模块的busy 输出端，当它亮时，表示语音模块可放音，蓝色按键为电源启动键，液晶显示器下方的黑色按键则为复位按键。

右上角像喇叭形状的就是超声波传感器的两个探头，一个用来发送超声波信号，一个则用来接收，然后数据通过液晶显示器显示出来，液晶显示器的数据标识采用拼音的形式，来提示各个数据所表示的意义。

实物比较简便，易于加装在汽车中，有很好的实用性，不足的地方在于，扬声器没有进行加固保护，容易在碰撞出受损，从而导致播出的声音带着杂音，极大的影响播出声音的效果，解决办法就是将扬声器焊接在电路板上，使其固定，不会在汽车的行驶过程中发生碰撞而受损。

实物调试分别做了超声波的最远距离和最近距离的测试，阐述了在两种不同的状态下，汽车防撞倒车系统会作出怎样的表现，然后司机根据显示的数值和播报的语音来调整车的位置，避免事故的发生，该调试时人为的用手拿着进行的调试，在汽车上的效果如何，还需要进一步的实验和调试。

5 小结

本设计研究的倒车防撞系统是基于超声波测距的。该系统的工作处理器核心是STC89C52 单片机，超声波的原理是利用发射和接收超声波，根据超声波在空气中的传播时间来计算出传播距离。经过单片机的处理在液晶上显示距离，并通过语音模块把当前的具体播报出来。