倪建華

(江蘇卡威工業(yè)集團(tuán)有限公司，丹陽 212323)

AVR單片機(jī)的全方位雷達(dá)輔助行車系統(tǒng)設(shè)計

倪建華

(江蘇卡威工業(yè)集團(tuán)有限公司，丹陽 212323)

針對4探頭倒車?yán)走_(dá)常存在視覺盲區(qū)造成停車?yán)щy的問題，本文研究一種包含8探頭的全方位雷達(dá)輔助行車系統(tǒng)。8個探頭分別布置在車頭和車尾，在車輛前進(jìn)和倒車狀態(tài)下分別啟用不同位置的雷達(dá)，通過AVR單片機(jī)控制電路模塊、超聲波測距模塊、液晶顯示模塊、蜂鳴器報警模塊等實(shí)現(xiàn)多路障礙物的探測、距離顯示和聲音報警功能，以幫助駕駛員判斷車輛距離障礙物的遠(yuǎn)近，全面了解車輛周圍情況。

汽車?yán)走_(dá)；AVR單片機(jī)；中斷處理；輔助行車系統(tǒng)

引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車普及率越來越高，在汽車數(shù)量快速增長的同時也帶來了一些問題，如空間狹小條件下的泊車問題、緩慢行車條件下的跟車安全問題等。雷達(dá)輔助行車系統(tǒng)得到了較多的研究和關(guān)注[1-3]，目前常用的輔助倒車系統(tǒng)為4探頭倒車?yán)走_(dá)，該系統(tǒng)在一定程度上有效避免了倒車或泊車時與車輛后方障礙物的碰撞問題。參考文獻(xiàn)[4]研究了一種二維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，能同時辨識出車輛后方水平障礙物和地面障礙物，但在空間比較狹小時，不僅要考慮車輛后方的障礙物，還要考慮車頭位置的障礙物，尤其是駕駛員右前方位置的障礙物；另一方面，汽車數(shù)量的大幅增加造成了早晚高峰時的道路擁堵，汽車的行駛狀態(tài)常為緩慢行車和跟車，此時，有必要增加車輛的前置雷達(dá)系統(tǒng)以提高行車安全。

因此，本文針對目前倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)存在的問題，研究一種包含8探頭的全方位雷達(dá)輔助行車系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)探測到車輛和周圍障礙物之間的距離小于設(shè)定值時，蜂鳴器報警，并將隨著距離的變化發(fā)出不同頻率的報警聲。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文研究的全方位雷達(dá)輔助行車系統(tǒng)包括8個探頭，探頭分別布置在車頭和車尾位置，當(dāng)車輛緩慢跟車、剎車、倒車時，將分別啟動不同位置的探頭，圖1為車輛緩慢跟車和剎車時雷達(dá)工作示意圖，此時位于車頭的4個探頭開始工作，駕駛員可自主選擇是否啟用圖1所示的車輛跟車和剎車時的雷達(dá)探測功能；圖2為車輛倒車時雷達(dá)工作示意圖，當(dāng)汽車檔位處于倒檔時，位于車頭的2個探頭和車尾的4個探頭開始工作，同時探測車輛前后方的障礙物。

圖1 車輛跟車和剎車時雷達(dá)工作示意圖

圖2 車輛倒車時雷達(dá)工作示意圖

系統(tǒng)由AVR單片機(jī)控制電路模塊、超聲波測距模塊、液晶顯示模塊、蜂鳴器報警模塊等組成。本系統(tǒng)使用超聲波測距模塊完成系統(tǒng)設(shè)計，可降低系統(tǒng)電路設(shè)計難度，縮短設(shè)計時間，且獲得較高的硬件穩(wěn)定性。因此需要搭載多路超聲波測距模塊，采用信號復(fù)用器，不僅可滿足應(yīng)用需求，也可為以后功能擴(kuò)展預(yù)留空間；采用外部中斷來捕捉信號，這樣可節(jié)約單片機(jī)資源，響應(yīng)快速準(zhǔn)確，提高測距的精度。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 AVR單片機(jī)控制電路模塊

圖5 HCSR04時序圖

控制電路模塊使用高性能、低功耗的8位AVR單片機(jī)，可以滿足信號采集、計算、顯示及聲音報警等各項(xiàng)功能。Atmel公司推出的AVR單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令執(zhí)行周期為單個時鐘周期，當(dāng)工作于16 MHz時，其性能高達(dá)16 MIPS。ATmega16單片機(jī)具有16 KB的片內(nèi)可編程Flash、512字節(jié)的片內(nèi)EEPROM、1 KB的片內(nèi)SRAM，包含2個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器，以及1個具有獨(dú)立預(yù)分頻器、比較器和捕捉器功能的16位定時器/計數(shù)器，能滿足該行車輔助系統(tǒng)的功能需求。該單片機(jī)具有JTAG接口，可以通過JTAG接口對片內(nèi)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位進(jìn)行編程。單片機(jī)控制電路模塊如圖3所示。

圖3 ATmega16控制電路

2.2 超聲波測距模塊

圖4 超聲波測距計算示意圖

超聲波測距是基于超聲脈沖回波渡越時間算法來實(shí)現(xiàn)的[5]。如圖4所示，假設(shè)超聲脈沖在空氣中的傳播速度為C，從超聲脈沖發(fā)出到檢測到回波信號之間的時間為T=t1+t2，則超聲波測距模塊與被探測障礙物之間的距離為D=CT/2。

本文選用HC-SR04超聲波測距模塊完成系統(tǒng)設(shè)計，該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制器。測距模塊工作電壓為4.5～5.5 V，最大功耗為20 mA，諧振頻率為40 kHz，測距范圍為20～4 000 mm，測量精度為4%。該模塊通過4針接口與外部控制電路連接，其中VCC和GND為電源輸入接口，Trig和Echo為信號控制接口。圖5為HC-SR04控制時序圖，HC-SR04模塊收到10 μs的高電平信號后，模塊內(nèi)部會產(chǎn)生8個40 kHz的脈沖。在此之后，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波信號，同時回響輸出信號變?yōu)楦唠娖?。?dāng)發(fā)出的超聲波信號遇到障礙物反射回來，被超聲波接收模塊接收到后，回響輸出信號變?yōu)榈碗娖?。回響信號的高電平寬度和障礙物距離成正比。

2.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊可實(shí)時顯示車輛與周圍障礙物之間的距離，本系統(tǒng)使用128×64點(diǎn)陣顯示的液晶模塊JCM12864M，可顯示4行漢字，每行8個，顯示內(nèi)容豐富。該液晶模塊可以使用并行通信方式，也可以使用串行通信方式。本文中選用串行通信方式，該通信方式只需要占用單片機(jī)的3個I/O口即可實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 點(diǎn)陣液晶模塊控制電路

2.4 蜂鳴器報警模塊

當(dāng)車輛與周圍障礙物之間的距離小于一定值時，蜂鳴器報警。本系統(tǒng)選用的是無源蜂鳴器，無源蜂鳴器需要使用單片機(jī)的1路PWM輸出引腳，占用1個定時器/計數(shù)器資源，與有源蜂鳴器相比，無源蜂鳴器可以發(fā)出更豐富的聲音信息。無源蜂鳴器所需的驅(qū)動電流較大，單片機(jī)I/O口不能直接進(jìn)行驅(qū)動，需要通過1個三極管進(jìn)行驅(qū)動電流放大，其控制電路如圖7所示。無源蜂鳴器通過輸入電壓方波的波形頻率來控制發(fā)聲的音調(diào)，通過電壓方波的占空比來控制發(fā)聲的音量，在實(shí)際探測中，蜂鳴器將根據(jù)距離信息的變化發(fā)出不同頻率的聲音以提醒駕駛員掌握車輛周圍障礙物的情況。

2.5 雷達(dá)輔助行車系統(tǒng)

圖7 無源蜂鳴器控制電路

圖8 多路超聲波測距模塊ECHO信號接入電路

針對多探頭輔助行車系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計了一種復(fù)用電路，可以連接8個探頭，使系統(tǒng)具有極大的擴(kuò)展性，系統(tǒng)原理圖如圖8所示。8個超聲波測距模塊的TRIG信號由單片機(jī)的8個I/O口進(jìn)行控制，ECHO信號要接入單片機(jī)的外部中斷口，因此需要設(shè)計一種電路將這8個ECHO信號分時接入外部中斷引腳。選用74HC151多路信號復(fù)用器芯片，通過該芯片可以選擇一個ECHO信號接入外部中斷引腳。

3 軟件設(shè)計

3.1 外部中斷和計時器

ATmega16單片機(jī)的Timer1為16位計時器，計數(shù)范圍為1～65 535。系統(tǒng)使用8 MHz晶振，Timer1不使用預(yù)分頻，則Timer1計時范圍為：1～65 535 μs。在常溫下，測距模塊距離障礙物100 mm時，超聲波經(jīng)過的距離為200 mm，超聲波傳播速度為340 m/s，則渡越時間為t=(0.2/340)×106≈588 μs；在常溫下，測距模塊距離障礙物2 000 mm時，超聲波經(jīng)過的距離為4 000 mm，超聲波傳播速度為340 m/s，則渡越時間為t=(4/340)×106≈11 764 μs?？梢钥闯?，系統(tǒng)滿足從100 mm到2 000 mm范圍內(nèi)的測距需求。

單個超聲波測距模塊的工作流程如圖9所示,使用AVR單片機(jī)的INT0引腳作為測距模塊ECHO信號接收端，利用ECHO信號高低電平變化來觸發(fā)INT0中斷。ECHO信號的上升沿和下降沿之間的時間即為測距時的渡越時間,使用外部中斷來捕捉ECHO信號的電平變化，使主程序流程簡潔，同時可以避免占用單片機(jī)資源和信號丟失等問題。

圖9 測距模塊工作流程

3.2 多路測距模塊輪詢檢測

圖10 測距模塊標(biāo)志位循環(huán)計數(shù)流程圖

圖11 多路測距系統(tǒng)工作流程圖

本文對8個超聲波測距模塊(編號為0～7)進(jìn)行輪詢檢測，圖10為測距模塊標(biāo)志位循環(huán)計數(shù)示意圖。測距模塊最大距離為4 m，渡越時間最大不超過24 ms。單片機(jī)利用Timer0定時器，每100 ms產(chǎn)生一次中斷。每次進(jìn)入中斷后，對標(biāo)志位進(jìn)行加1操作，到達(dá)7后又重新從0開始計數(shù)，使標(biāo)志位在0～7之間循環(huán)。單片機(jī)按照該標(biāo)志位對相應(yīng)的測距模塊進(jìn)行測距操作，并根據(jù)8個模塊中的最小距離進(jìn)行顯示或報警。

本文中使用的測距模塊推薦的最大測量距離為4 m，渡越時間約為24 ms；每個模塊的工作間隔推薦值為60 ms，因此每個模塊工作總時間應(yīng)該小于84 ms。本文將Timer0定時時間設(shè)置為100 ms，8個測距模塊全部工作一次耗時800 ms，可滿足日常應(yīng)用。圖11為多路測距系統(tǒng)工作流程圖，系統(tǒng)初始化之后將進(jìn)入循環(huán)，啟動第N個測距模塊，進(jìn)而顯示出距離值。

結(jié) 語

本文設(shè)計了基于AVR單片機(jī)的雷達(dá)輔助行車系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、軟件設(shè)計高效、測距精度高等特點(diǎn)，相比于常見的車尾倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，本系統(tǒng)不僅能滿足倒車的應(yīng)用需求，且能在車多緩行環(huán)境下實(shí)現(xiàn)車輛跟車和剎車的距離提醒，更有利于駕駛員掌握車輛周圍的行車環(huán)境，保障行車安全。

[1] 陸城富, 許宜申,吳茂成. 基于超聲波測距的二維倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2015(10): 59-61.

[2] 韓韌, 金永威, 王強(qiáng).基于STM32和超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2016, 35(4): 63-66.

[3] 范志芳, 王磊朋. 汽車倒車?yán)走_(dá)功能實(shí)現(xiàn)簡述[J]. 輕型汽車技術(shù), 2015(7): 42-45.

[4] 嚴(yán)敏. 基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2016, 27(3): 25-29.

[5] 何乃龍, 沙奕卓, 行鴻彥. 新型車載倒車?yán)走_(dá)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研制[J]. 信息技術(shù), 2016(3): 1-5.

倪建華，主要從事汽車整車及零部件的技術(shù)研發(fā)、質(zhì)量管理等工作。

結(jié) 語

本文提出了一種基于WiFi模塊的圖像高速傳輸方案，重點(diǎn)講述了利用TI的CC3200 WiFi模塊傳輸圖像的過程。利用WiFi技術(shù)，智能車可以高速而有效地將圖像信息傳送給計算機(jī)，大大地提高了調(diào)試效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學(xué)做智能車[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] 郭書軍，田至鵬.基于單片Wi-Fi MCU CC3200的無線串口[J].儀器儀表用戶，2016(1).

[3] 橋亮，王建軍.基于DMA技術(shù)單片機(jī)數(shù)字?jǐn)z像頭圖像采集系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械與電子，2015(9).

[4] 楊曉，李戰(zhàn)明.面向系統(tǒng)級芯片的串行外設(shè)接口模塊設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用，2015(12).

[5] 陳文周.WiFi技術(shù)研究及應(yīng)用[J].數(shù)據(jù)通信，2008(2).

[6] 張文亮，程紹瀾.WiFi網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用分析[J].信息通信，2013(2).

朱為、滕璞駿(本科)，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程與自動化學(xué)院；聞時光(講師)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計和機(jī)器人控制。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-11-28)

[3] 陳鑫，秦宏偉，陳春雨，等. 基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器研究與電路設(shè)計[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報，2013(6): 44-47.

[4] 廖平，韓偉偉. 基于STM32多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2016(4):71-73.

[5] 李敏，孟臣. 單片K型熱電偶放大與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(9): 41-43.

[6] 王成成，李夢倩，雷文，等.3D打印用聚乳酸及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].塑料科技，2016(6): 89-91.

[7] 張勝，徐艷松，孫姍姍，等.3D打印材料的研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國塑料，2016(1):7-14.

[8] 楊亮，傅瑜，鄧春健，等. 基于嵌入式平臺3D打印機(jī)研制[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015(12):89-92.

孫超林(本科生)，主要研究方向?yàn)橛布娐吩O(shè)計；王鑫(實(shí)驗(yàn)師)，主要研究方向?yàn)樽詣涌刂?、嵌入式開發(fā)。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-11-04)

All-dimensions Radar Aided Driving System Based on AVR Microcontroller

Ni Jianhua

(Jiangsu Kawei Auto Industrial Group Co.,Ltd.,Danyang 212323,China)

Aiming at the parking problem caused by the 4 probes reversing radar existing the visual blind spots,a kind of all dimensions radar aided driving system with 8 probes is proposed.The 8 probes are arranged in the front and the rear.The system uses part of them when the car goes forward or reverses,and it can achieve the functions of the multi-channel obstacle detection,the distance display and the sound alarm through AVR SCM,the radar ranging module,the liquid crystal display module and the buzzer module.This radar aided driving system can help the driver to judge the distance of the obstacle,and get the whole information around the car.

automotive radar;AVR SCM;interrupt handling;aided driving system

TB559

A

迪娜

2017-01-09)