秦博晟

摘要 介紹基于Arduino的一種倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、實(shí)驗(yàn)材料、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試流程。該設(shè)計(jì)基于超聲測(cè)距原理，以Arduino為主控板，應(yīng)用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、無源蜂嗚器報(bào)警模塊及共陰數(shù)碼管顯示模塊，以超聲波實(shí)現(xiàn)倒車?yán)走_(dá)實(shí)時(shí)顯示距離數(shù)據(jù)、距離過近報(bào)警等功能。經(jīng)測(cè)試所有功能系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，該設(shè)計(jì)簡單、易行、成本低廉，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】Arduino開發(fā)板 倒車?yán)走_(dá) 超聲測(cè)距

Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計(jì)學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和MassimoBanzi聯(lián)合創(chuàng)建，一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺(tái)?，F(xiàn)己成為較為流行的電子互動(dòng)平臺(tái)。其基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡單、功能多樣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)等方面。它的功能極其豐富，能進(jìn)行多種開發(fā)，制作出多種簡易模型。Arduino硬件被封裝為多個(gè)單獨(dú)的模塊，各個(gè)模塊間使用杜邦線進(jìn)行連接，擁有較為簡易的硬件組裝方式。Arduino的IDE軟件開發(fā)環(huán)境擁有類似于C語言的開發(fā)環(huán)境和語言習(xí)慣，使其更容易上手進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)各種功能。

本文介紹使用Arduino開發(fā)板實(shí)現(xiàn)簡易倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于超聲波測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)并輔以實(shí)時(shí)顯示距離數(shù)據(jù)、距離過近報(bào)警等功能，有利于提升車輛的行車安全，在倒車時(shí)對(duì)司機(jī)進(jìn)行一定的輔助，降低因車輛的視野盲區(qū)而發(fā)生交通事故的幾率。

1 設(shè)計(jì)原理

本倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)使用Arduino開發(fā)板連接超聲波發(fā)射及接受器、數(shù)碼管及蜂鳴器實(shí)現(xiàn)車輛與障礙物間距離的測(cè)量、顯示及在距離過近時(shí)進(jìn)行報(bào)警。Arduino開發(fā)板根據(jù)超聲波發(fā)射及接受器所傳入的時(shí)間差數(shù)據(jù)，計(jì)算出障礙物與車輛之間的距離，并將此數(shù)據(jù)中的分米整數(shù)值取出，傳出至數(shù)碼管顯示，同時(shí)對(duì)計(jì)算出的距離值進(jìn)行判斷，若小于臨界值，則觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2 實(shí)驗(yàn)材料

共陰數(shù)碼管*1、面包板*1、面包板跳線若干、無源蜂鳴器*1、Ariduino開發(fā)板*1、超聲波發(fā)射器+l、超聲波接受器+l。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波測(cè)距

超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波，即其振動(dòng)頻率高于20 kHz。其具有頻率高、波長短、衍射小、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，且傳播時(shí)的能量消耗緩慢、有利于實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

本實(shí)驗(yàn)使用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，其分為超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)，測(cè)距精度高達(dá)jmm。

用于測(cè)距的超聲波頻率應(yīng)取合適值，大約40kHz為益。若所用超聲波頻率過高，則其在空氣中傳播時(shí)，會(huì)加劇空氣分子的摩擦，導(dǎo)致其有較大的能量損耗，使同功率下測(cè)距的最大距離較短;若所用超聲波頻率過低，則其易受使用環(huán)境中噪聲干擾，且受其定向性及波長較長產(chǎn)生的衍射影響，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度的下降。

超聲波測(cè)距的原理：先向超聲波模塊脈沖觸發(fā)引腳（trig）加高電平，觸發(fā)超聲波發(fā)射器向某一方向定向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，同時(shí)回波檢測(cè)引腳（echo）變?yōu)楦唠娖?超聲波經(jīng)空氣傳播，在遇到障礙物時(shí)因反射立即返回;利用超聲波接收器接收返回的超聲波，當(dāng)返回的超聲波被模塊接收時(shí)，回波檢測(cè)引腳（echo）變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)計(jì)時(shí)器立刻停止計(jì)時(shí)，利用所記錄的時(shí)間差和當(dāng)前環(huán)境下的聲速即可計(jì)算出超聲波源與障礙物之間的距離，如圖1所示。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為v = 340 m/s，計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間差為At，可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，公式即：

S=v*△t/2

高頻率重復(fù)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)超聲波的連續(xù)測(cè)距。

3.2 共陰數(shù)碼管

基本組成單元是LED。所有LED的陰極共同連接形成公共陰極（COM）。使用時(shí)公共極COM接地，當(dāng)某一字段LED的陽極為高電平時(shí)點(diǎn)亮;為低電平時(shí)熄滅。

使用共陰數(shù)碼管作為倒車?yán)走_(dá)的距離顯示裝置，具有成本低廉、功耗較低，體積較小等優(yōu)點(diǎn)，且數(shù)據(jù)直觀易于快速讀取。

3.3 無源蜂鳴器

是內(nèi)部不帶震蕩源的一種蜂鳴器，須用音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)，只通直流電源無法令其嗚叫。

使用無源蜂鳴器作為倒車?yán)走_(dá)的距離過近的報(bào)警裝置，具有成本低廉、功耗較低，體積較小等優(yōu)點(diǎn)，且將距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為音頻信號(hào)利于司機(jī)對(duì)危險(xiǎn)的快速反應(yīng)。

3.4 硬件接線示意圖

如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 共陰數(shù)碼管顯示距離

顯示數(shù)字時(shí)，只要將相應(yīng)筆段點(diǎn)亮即可。將每個(gè)數(shù)字需要點(diǎn)亮的筆段寫入程序中，將數(shù)字所需點(diǎn)亮的筆段輸出高電平，其他筆段輸出低電平，即可顯示數(shù)字。根據(jù)超聲波測(cè)量距離的大小，對(duì)距離保存到分米單位，并將其輸入至共陰數(shù)碼管中，即可顯示距離。

4.2 蜂鳴器報(bào)警

對(duì)每次測(cè)量的距離進(jìn)行判斷，若小于預(yù)設(shè)距離，則對(duì)蜂鳴器加高電平，否則加低電平，即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

5 測(cè)試流程

本系統(tǒng)通電初始化后，超聲波發(fā)射器先發(fā)射超聲波，同時(shí)記錄發(fā)射超聲波的時(shí)刻;超聲波遇到障礙物后，會(huì)因反射立即返回，由超聲波接收器接收返回的超聲波，同時(shí)記錄接收到返回波的時(shí)刻。將記錄的時(shí)刻通過超聲波測(cè)距的算法，計(jì)算出倒車?yán)走_(dá)與障礙物之間的距離，輸入至Arduino開發(fā)板中，并取分米整數(shù)值輸出至共陰數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，同時(shí)對(duì)所測(cè)定的距離大小與所設(shè)置的臨界值進(jìn)行比較，若小于臨界值，則觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警（圖3）。高頻率重復(fù)上述過程，即可實(shí)現(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)倒車?yán)走_(dá)連續(xù)測(cè)距、顯示及報(bào)警等功能。

6 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的簡易倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算出車距離障礙物的遠(yuǎn)近，為司機(jī)倒車提供了很大幫助，超聲波測(cè)距設(shè)備可以準(zhǔn)確測(cè)量距離并且在數(shù)碼管上顯示。當(dāng)車到障礙物的距離小于預(yù)設(shè)距離時(shí)，系統(tǒng)的蜂鳴器就會(huì)發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。本文提出的方案能對(duì)希望使用Arduino開發(fā)板實(shí)現(xiàn)上述功能的人員提供一定的思路，對(duì)Arduino開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

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