汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和汽車價(jià)格的持續(xù)下降，越來越多的家庭擁有了私家車。在享受汽車給人們帶來便利的同時(shí)，由于倒車而產(chǎn)生的問題也日益突出。據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，15％的汽車事故是由汽車倒車“后視”不良造成的。早期的倒車防撞儀可以測試車后一定距離范圍的障礙物從而發(fā)出警報(bào)，后來發(fā)展到根據(jù)距離分段報(bào)警。隨著人們對汽車駕駛輔助系統(tǒng)易用性要求的提高，對汽車倒車雷達(dá)的要求也越來越高。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)AT89C51的倒車?yán)走_(dá)，采用美國DAL-LAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20單總線型數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償提高了測距精度，采用OC-MJ12232C_3液晶顯示模塊對車距進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和ISD4004語音芯片實(shí)現(xiàn)了倒車?yán)走_(dá)語音報(bào)警的功能，并可以根據(jù)距離的不同做出不同的語音提示。由于采用了超聲波專用集成電路芯片LM1812，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
1 超聲波測距原理
超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。超聲波測距原理是利用單片機(jī)在超聲波傳感器發(fā)射超聲波的同時(shí)單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測到回波信號后單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。測得的時(shí)間和聲速相乘就可以得到超聲波往返過程中走過的路程，所以所測距離S為聲波傳輸距離的一半：
S=Ct／2
式中：S為超聲波發(fā)射點(diǎn)與被測障礙物之間的距離；C為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率；t為超聲波發(fā)射到超聲波返回的時(shí)間間隔。聲波在空氣中傳輸速率為：
式中：T為絕對溫度；C0=331．45 m／s。
采用單片機(jī)脈沖計(jì)數(shù)的方法，可精確測出t的值。假設(shè)單片機(jī)的機(jī)器周期為T機(jī)，則有t=NT機(jī)，則測得的距離為：
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射與接收電路、溫度補(bǔ)償電路、LCD顯示電路以及語音報(bào)警電路等幾部分組成。單片機(jī)AT89C51是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分電路的工作。單片機(jī)在超聲波信號發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波信號在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的回波信號經(jīng)過處理后輸入到單片機(jī)的INTO端產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。通過計(jì)數(shù)器測得的脈沖數(shù)可得到超聲波信號往返所需要的時(shí)間，從而達(dá)到測距的目的。超聲波探頭選用TCF40-25TR1型收發(fā)一體式超聲波傳感器，諧振頻率為40 kHz；超聲發(fā)射與接收電路采用LM1812專業(yè)集成電路，不僅外圍元件較少，電路簡單，而且有更好的穩(wěn)定性及可靠性；溫度補(bǔ)償電路采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，利用聲速和溫度之間的關(guān)系對聲速進(jìn)行校正，從而消除溫度對聲速的影響；語音報(bào)警電路采用ISD4004，可實(shí)現(xiàn)汽車倒車過程中的語音報(bào)警。
2．2 單片機(jī)控制電路
系統(tǒng)控制部分的核心是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51。AT89C51采用40引腳的雙列直插式封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4 KB的ROM，256 B的RAM，2個(gè)16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T0和T1，4個(gè)8位的I／O端口和一個(gè)全雙工串行通信口等部分組成。AT89C51單片機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，低功耗等特點(diǎn)。特別是內(nèi)部集成了4 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，使單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單，也使其得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，它還具有高級語言編程的特點(diǎn)，指令豐富，軟件開發(fā)簡單。AT89C51單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，其作用是控制超聲波專用集成芯片LM1812的發(fā)射和接收，對計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后送入LCD顯示以及控制語音報(bào)警電路工作。
2．3 超聲波發(fā)射和接收電路
本系統(tǒng)采用超聲波專用集成電路LM1812作為超聲波發(fā)射和接收電路的主控芯片。LM1812是一種通用型超聲波收發(fā)器，主要用在各種各樣的測距、定向和通信中。芯片包括一個(gè)脈沖調(diào)制C類發(fā)射器，一個(gè)高增益接收器，一個(gè)脈沖調(diào)制檢測器及噪音抑制電路。LM1812第1腳外接L1，C1決定了電路發(fā)送或接收的工作頻率，其工作頻率為：
改變電感L1，電容C1的值可以改變振蕩頻率(本系統(tǒng)中f0為40 kHz)，最高可達(dá)325 kHz。
超聲波發(fā)射和接收電路如圖2所示。當(dāng)LM1812的8腳為高電平時(shí)，LM1812處于發(fā)射模式；當(dāng)8腳為低電平時(shí)，LM1812處于接收模式。值得注意的是，單片機(jī)到LM1812的連接要進(jìn)行5～12 V的電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)LM1812處于發(fā)射模式時(shí)，L1，C1振蕩槽路被切換為振蕩模式，振蕩信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后，由13腳及6腳輸出。6，13腳之間所接變壓器線圈的匝數(shù)比是根據(jù)TCF40-25TR1型收發(fā)一體式超聲波傳感器的阻抗來確定的。實(shí)驗(yàn)證明，變壓器線圈的匝數(shù)比大約為4：1時(shí)可實(shí)現(xiàn)與超聲波發(fā)送器阻抗相匹配。超聲波接收器接收到的超聲波信號經(jīng)電容耦合由4腳輸入，再經(jīng)內(nèi)部兩級放大后同由1腳的諧振回路取出的信號一起送到檢測器。當(dāng)檢測到超聲波回波信號時(shí)，LM1812的14腳(與單片機(jī)的INT0端相連)變?yōu)榈碗娖?，使單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。
2．4 溫度補(bǔ)償電路
溫度補(bǔ)償電路采用了美國DALLAS半導(dǎo)體公司的DS18B20單總線型數(shù)字溫度傳感器。單總線即只用一根信號線來傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，單總線具有“線與”功能，連接方便，便于擴(kuò)展。DS18B20集溫度測量、A／D轉(zhuǎn)換于一體，具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍寬、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20和單片機(jī)接口電路如圖3所示。
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