在現(xiàn)代社會中,，隨著汽車的增多和停車位日趨緊張,，泊車成為很多車主頭痛的問題，這時倒車?yán)走_就成了汽車的好助手,。倒車?yán)走_是汽車泊車安全輔助裝置,，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車時前后左右探視所引起的困擾,，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷,，提高了倒車的安全性。本文以ATmega16作為核心處理器,，采用超聲波原理測量出障礙物距車尾的垂直距離,。系統(tǒng)電路設(shè)計合理，工作穩(wěn)定,，性能良好,，精度高，實時檢測速度快,，在未來市場上將有一定的實用價值,。
1 超聲波測距原理
　超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時間法,，將超聲傳感器安裝在汽車尾部,，則障礙物距車尾的垂直距離為：

    為了提高測距精度，本系統(tǒng)通過溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?。因此只要測量超聲發(fā)射到超聲返回的時間間隔△t及環(huán)境溫度T,，然后根據(jù)式(1)、式(2)即可計算出距離S,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　本系統(tǒng)采用ATmega16 AVR為控制核心,，外圍電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路,、溫度采集模塊,、聲光報警電路、液晶顯示電路,、接口電路及電源電路等部分組成,。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

2.1 核心控制模塊
　Atmega16是Atmel公司近幾年才推向市場的新一代高性能、低功耗,、高集成化的8位CMOS微控制器,。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，加上片內(nèi)32 個通用工作寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU) 相連接,，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器,，大大提高了代碼效率，運行速度比AT89C51高出10倍,。用于邊界掃描的JTAG接口,，可以對片上16 KB閃存Flash在線編程和調(diào)試，非常方便軟件的升級,。內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路,，如定時/計數(shù)器、實時時鐘,、快速PWM通道,、A/D轉(zhuǎn)換器、I2C的串行接口,、可編程的串行USART接口,、SPI串行接口和帶片內(nèi)晶振的可編程看門狗定時器以及片內(nèi)的模擬比較器等，除傳感器外幾乎可以不需要其他任何元件即可構(gòu)成系統(tǒng),，從而為本設(shè)計提供了靈活而低成本的解決方案,。其主控電路如圖2所示。

2.2 超聲波發(fā)射模塊
　超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3所示,。發(fā)射電路主要由施密特反向觸發(fā)器CD40106和超聲波發(fā)射換能器TCT40-10-T構(gòu)成,，PD6的端口輸出兩路40 kHz脈沖信號,一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極,。用這種推挽形式將脈沖信號加到超聲波換能器兩端,，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián),，用以提高驅(qū)動能力,，所得到的波形比其他方式效果更理想。

2.3 超聲波接收模塊
　超聲波接收模塊的作用是將反射的超聲波轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大處理成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號,，然后輸出給下一級電路,。集成電路CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，它由前置放大器,、限幅放大器,、帶通濾波器、檢波器、積分器和整型電路組成,。CX20106常用于電視機紅外遙控接收器,。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近,，可以利用它制作超聲波檢測接收電路,。如圖4所示，超聲波接收探頭TCT40-10-R將接收到的反射超聲波轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號,，送入CX20106的1腳,，CX20106的總放大增益約為80 dB，實際增益由2腳外接電阻R2和電容C1來決定,，電阻R2越小或電容C1越大，增益越高,，但取值過大易造成頻率響應(yīng)變差,，本系統(tǒng)取電容為1 μF。C2為外接峰值檢波電容,，C13為外接積分電容,，調(diào)整RP電位器使內(nèi)置帶通濾波器的中心頻率為40 kHz，當(dāng)接收到與濾波器中心頻率相符的信號時,，其7腳輸出一個低電平直接接到ATmega16的INT0上,以觸發(fā)中斷,。

2.4 溫度檢測模塊
    為了提高本方案精度，引入了溫度采集并在軟件算法中增加了溫度自動校正功能,。溫度傳感器采用了DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20,，其溫度測量范圍為－55 ℃～＋125 ℃,可編程為9 bit～12 bitA/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.062 5 ℃,，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出,。其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生,。本系統(tǒng)采取了寄生電源的方式,如圖5所示,通過一個MOSFET把CPU的I/O口直接拉到電源大小,。這種接法優(yōu)點是雙重的：(1)VDD接地，無需本地電源,；(2)缺少正常電源的條件下也可讀ROM,。

2.5 人機交互模塊
　人機交互模塊由液晶顯示電路和鍵盤電路兩部分組成。液晶顯示器件采用TC1602E字符型LCD模塊,，該模塊具有體積小,、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點,。TC1602E可以顯示2行16個字符,，有8 bit數(shù)據(jù)總線D0～D7，RS,、R/W,、EN三個控制端口,，工作電壓為5 V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光顯示,。第一行顯示倒車?yán)走_測量距離,，第二行顯示環(huán)境溫度，液晶顯示模塊電路如圖6所示,。

2.6 電源模塊[3]

　倒車?yán)走_是安裝在汽車的尾部,，其電源應(yīng)是便攜式的，以方便安裝更換,。本系統(tǒng)選用ATmega16,，其電源電壓是5 V?？梢允褂瞄_關(guān)電源產(chǎn)生的5 V直接供電,，但這樣最好把開關(guān)電源做在主控板上，傳感器等需要另配電源,。因此可以選用9 V疊層電池通過低功耗,、可調(diào)、低壓差穩(wěn)壓器MAX667線性穩(wěn)壓至5 V(VCC)后給系統(tǒng)供電,，轉(zhuǎn)換電路如圖7所示,。

2.7 聲光報警模塊
    報警電路模塊如圖8所示，主要作用是在汽車尾部與障礙物距離較近時進行報警,。根據(jù)實際情況,，當(dāng)汽車尾部與障礙物距離大于5 m時,可認(rèn)為是安全狀態(tài)，液晶顯示“――”標(biāo)志,；在5 m和1 m之間時認(rèn)為是正常的,，顯示實測距離；小于1 m時,應(yīng)提醒司機注意,，系統(tǒng)發(fā)出聲音報警功能,，單片機向其端口發(fā)出PWM脈沖，隨著距離的減小,，通過控制PWM脈沖的占空比使蜂鳴的頻率加?。恍∮?.5 m時,，要求聲光同時報警,，由于閃光頻率不能過高，通過單片機另一個端口控制其閃亮,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計[3-4]
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計采取模塊化設(shè)計,，C語言編程，這樣便于閱讀與功能擴展。程序主要由主程序,、測距子程序,、測溫子程序、延時子程序,、液晶顯示子程序等幾個部分構(gòu)成,。雷達測距開始由汽車倒車控制，一旦倒車開始,，即啟動ATmega16片內(nèi)的T1連續(xù)發(fā)射40 kHz的PWM,，計數(shù)器開始計數(shù)?？紤]到實際倒車環(huán)境有遠有近,，為防止其他干擾可能引起的誤測，以最長距離5 m計算,，超聲波發(fā)送到返回的時間△t至少為5/340≈15 ms,。這樣持續(xù)發(fā)送PWM直至接收到超聲波時停止發(fā)送，這個過程大約需要15 ms以上,，所以不管所測距離遠近，一律每25 ms發(fā)送一次超聲波,。由于超聲波會受到被測物體不平整,、反射角度、環(huán)境風(fēng)速,、溫度以及多次反射的影響,，可能會帶來測量數(shù)據(jù)誤差增大。為了提高測量的準(zhǔn)確性,，要求連續(xù)檢測5次時間,，去掉最大和最小的測量值，然后對剩下3個測量值求平均值,。
4 軟硬件調(diào)試及實驗數(shù)分析
    硬件制作時主要需保證發(fā)送和接收兩個換能器中心軸線平行并相距6 cm,，根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C12的大小,，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力,。然后通過JTAG口在線調(diào)試下載程序并運行。以300 cm2硬紙板(實際中障礙物要比這個面積大)為障礙物對倒車?yán)走_進行了實測,。為了檢驗倒車?yán)走_的性能,，對同組數(shù)據(jù)進行了三次循環(huán)測量，發(fā)現(xiàn)在500 cm以上時測量誤差在2 cm左右,，在500 cm以內(nèi)時倒車?yán)走_最大誤差不超過1 cm,。倒車?yán)走_有效范圍為0.05～5.7 m，這足以實際泊車需要。表1列出了汽車倒車?yán)走_在5 m以內(nèi)的測量值與對應(yīng)的實際值,。

    本文給出了一種倒車?yán)走_的設(shè)計方案,，該方案可以達到很高的采集速率和測量精度，并且具有溫度自動校正功能,。同時,，汽車倒車時可以通過液晶屏清晰地顯示障礙物與車尾的距離，幫助司機克服了后視鏡小,，視野窄的缺點,。當(dāng)車至危險區(qū)域時，通過聲光報警提醒司機,，消除了倒車造成的事故隱患,。實驗已經(jīng)驗證了汽車倒車?yán)走_的有效性、可靠性,。同時系統(tǒng)還預(yù)留部分接口,，為系統(tǒng)升級和數(shù)據(jù)通信帶來方便。

參考文獻
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