馬明欣 大連育明高中
多功能倒車安全提示裝置的設計與實現
馬明欣 大連育明高中
本文研制的倒車安全提示裝置以單片機(STC89C52)為核心,采用四組超聲波測距模塊獲得障礙物與汽車尾部的距離信息,單片機經過信息處理后將數據實時顯示在液晶屏上,并采用蜂鳴器、LED實現聲光報警——不同的安全距離鳴叫、閃爍的頻率不同,以提示司機注意安全。此外,考慮季節更替等因素導致工作環境溫度變化較為明顯,采用溫度傳感器實時測量環境溫度,據此計算當前的聲速,修正超聲波測距結果,并將當前的溫度實時顯示在液晶屏上。該裝置功能齊全,實用性強,制作成本低廉,測量精度高。
單片機(STC89C52);超聲波測距模塊;溫度傳感器
目前的中低檔家用汽車上,雖然大部分都裝有倒車雷達,但一般都只有“嘀嘀”鳴叫聲提示功能。在夏季車窗打開且外面噪音較大,司機往往聽不清楚鳴叫聲,常常導致倒車安全事故的產生。如果倒車雷達能夠具有實時顯示功能,在類似上述車內有噪聲的情況下,司機可以通過看顯示屏就可以判斷與障礙物的距離,大大降低倒車事故的概率。
倒車安全提示裝置中首先要有超聲波測距模塊,以獲得障礙物與汽車尾部的距離信息,但這些信息需要經過計時得到超聲波的回波時間,再通過相應的公式計算才能獲得真正的距離信息,為實現上述的信息處理與計算功能,采用體積小、價格低廉的單片機作為系統的核心,在完成信息處理與計算的同時,還要將相關距離信息在液晶顯示屏上顯示,并適時控制蜂鳴器蜂鳴器、LED實現聲光報警——不同的安全距離鳴叫、閃爍的頻率不同,以提示司機注意安全。此外,考慮實際應用環境中,因季節更替等因素環境溫度變化較為明顯,溫度變化會導致聲速發生變化。為此,本系統采用一個溫度傳感器實時測量環境溫度,計算當前的聲速,以獲得準確的超聲波測距結果,同時將當前的溫度實時顯示在液晶屏上,使倒車安全提示裝置的功能更加全面。系統組成框圖如圖1所示。
圖1 倒車提示裝置原理圖
圖2 STC89C52單片機最小系統
圖3 測距模塊及安裝布置
2.1 單片機系統
基于性價比的考慮,決定選用STC89C52型單片機。圖2為所用單片機最小系統,主要包括復位電路和晶振電路。/EA引腳接+5V,選擇使用內部8K字節的ROM。
2.2 超聲波測距電路
采用5V電源供電的HC-SR04型超聲波測距模塊,其探測精度為3mm,探測角度為15°,探測距離為2cm-400cm,實物圖如圖3(a)所示。它包括超聲波發射器、接收器及控制電路,共有4根引線:電源線2根、觸發信號輸入線、回響信號輸出線,每組與單片機的接口只需兩根口線。單片機通過P0口控制測距模塊,并通過定時器計算回波時間。本系統中共采用四組測距模塊,在車體上布置位置如圖3(b)所示。
2.3溫度測量電路
超聲波在空氣的傳播速度受溫度影響,故在測量過程中需要實時測量環境溫度來對波速進行修正。我國部分地區季節溫差、晝夜溫差較大,故需選擇一款測溫范圍寬、抗干擾能力強的溫度傳感器,同時,該溫度傳感器的檢測結果也可以在顯示器上顯示,使倒車安全提示裝置系統功能更全。
本系統中采用體積小、性價比高的DS18B20數字式溫度傳感器,其實物圖如圖4(a)所示。DS18B20可測量-55℃~+125℃范圍內的溫度,測量精度達到0.5℃,完全滿足本裝置的要求。DS18B20測溫系統接線非常簡單,如圖4(b)所示,單片機P2.3口線與DS18B20的數據輸入輸出端相連。
圖4 DS18B20實物圖與電路連線圖
圖5 LCD12864液晶模塊及端口連接圖
圖6 主程序流程圖
圖7 調試通過后的實物照片
設測得溫度值為T(單位為℃),則可依據聲速與溫度關系式得出當前超聲波波速v(單位為m/s)。
v = 331.5+0.607T
2.4 液晶顯示與聲光報警電路
綜合考慮屏幕大小、字庫形式等因素,選用帶漢字字庫的液晶顯示模塊LCD12864實時顯示車體(四組測距模塊)與障礙物之間的距離。其電源電壓為5V,外觀形狀如圖5(a)、(b)所示。
LCD12864共有20個接口引線,采用串行工作模式:單片機通過口線E(6腳)激活LCD12864,通過R/W(5腳)控制數據輸入/輸出,使用CS端(4腳)進行指令和數據的傳輸,PSB(15腳)為低電平。連線圖如圖5(c)所示,圖中10kΩ可調電阻可以對液晶亮度進行調節,車主可根據舒適感覺自行調節。
聲光報警電路通過LED和蜂鳴器實現:本系統將報警距離范圍分為三段,分別為1.00m~1.50m、0.60m~1.00m和小于0.60m,同時根據距離遠近輔以不同頻率的聲光(蜂鳴器和紅色LED)報警提示。本系統中,單片機通過P2.0口線控制LED報警電路,通過P2.2口線控制蜂鳴器報警電路。
采用模塊化編程思路完成系統軟件的設計。主要程序模塊包括主程序、超聲波發射接收、溫度測量、聲速修正、距離計算、LCD顯示、聲光報警等等。限于篇幅,在此只介紹主程序模塊。
主程序流程圖如圖6所示。司機開始倒車(即單片機復位上電)后,LCD12864、DS18B20等模塊以及計時器進行初始化。初始化后,DS18B20開始檢測環境溫度來對超聲波速度進行修正。聲速修正后,依次啟動4組超聲波測距模塊,對車后四個位置進行障礙物距離檢測,并將四組距離信息傳回單片機進行處理。若當前距離處于安全范圍內,則LCD顯示距離并返回循環檢測;若測試距離達到某一設定距離,則開啟聲光報警、實時顯示障礙物距離。
調試通過后的實物照片如圖7(a)所示,加裝有機玻璃外殼后的實物照片如圖7(b)所示。經過測試,該系統具有實時顯示車體與障礙物之間的距離、實時顯示環境溫度以及分段式聲光報警功能,造價低廉,工作可靠,非常實用。
[1]胡漢才.單片機原理及其接口技術(第3版)[M].北京:清華大學出版社.2010
[2]徐愛鈞.Keil C51單片機高級語言應用編程與實踐[M].北京:電子工業出版社.2013
馬明欣,(1999.04-),籍貫:遼寧大連,民族:滿族,學歷:高中