基于超声波的分布式车辆视野盲区消除装置设计

孟美含，赵存睿，刘 鹏

（泰山科技学院 智能工程学院，山东 泰安 271000）

0 引言

据世界卫生组织（WHO）统计，2022 年全球因交通事故引发伤亡人数至少160 万人。其中，约50 万人因车辆视野盲区问题造成事故[1]。因此，为更好地保护生命财产安全，减少车辆视野盲区成为当前急需研究解决的重要内容。

车辆视野盲区是因车辆固有结构导致驾驶员车内视野受到引擎盖、后备箱、车柱等遮挡，从而出现无法观测区域。其存在问题短时间内不易改变，但可以通过技术手段使驾驶员获得盲区内信息，从而达到消除视野盲区的效果[2-6]。但目前有关视野盲区消除的产品普遍存在有效范围小、使用场景有限及产品价格高昂等问题[7-10]。

针对以上问题，本文设计一种以单片机为控制核心，利用超声波的优异特性，通过分布式安装多个超声波监测单元对盲区进行无死角覆盖，实现多维度车周环绕的视野盲区消除并具有报警功能的装置。

1 装置总体设计与工作流程

本文设计的分布式车辆盲区消除装置以AT89C52单片机为核心，控制监测模块与上位机模块两部分。实现盲区障碍物距离监测与远程报警控制功能。装置系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框架

该装置的监测模块由一个可覆盖约15°～30°的视野区域的超声波单元、AT89C52 单片机核心、nRF24L01 从端组成。上位机模块由AT89C52 单片机、nRF24L01 主端、PC 显示屏、蜂鸣报警器与灯光报警器组成。装置总电路原理如图2 所示。

图2 装置电路原理

当装置启动后，监测模块与上位机模块的nRF24L01 开始建立无线通讯，通讯成功后，监测模块AT89C52 单片机激励超声波单元发出超声波信号。超声波监测范围内出现的障碍物时会反射超声波形成回波，超声波单元接收回波信号后，经过滤电路与放大电路将超声波传播时间输入单片机，单片机通过公式计算得到障碍物距离，对比如表1 的程序预设危险分级表确定障碍物危险等级，确定控制指令。

表1 安全等级划分

在确定控制指令后后，将结果通过nRF24L01 从端无线传输至上位机模块nRF24L01 主端。接收后输入上位机AT89C52 单片机。根据输入指令，单片机驱动语音、蜂鸣器、LED 灯进行报警，提醒驾驶员障碍物接近，注意安全。

2 装置硬件设计

2.1 AT89C52 单片机模块设计

本装置使用两个AT89C52 型8 位低功耗高性能单片机作为控制核心。该单片机采用标准C51 内核/具备8K 可用于系统内编程FLASH 存储器，时钟频率0Hz～24 MHz，32 个可编程I/O 口线，3 个16 位定时/计数器，2 个可编程URAT 串行通道，支持低功耗空闲与掉电保护。

该装置由单片机XTAL1 与XTAL2 引脚外接12 MHz 晶振电路，RST 引脚外接复位电路，组成单片机最小系统。其中监测模块P0.0 接HC-SR04 Trig 引脚，P0.1 接Echo 引脚，用于激励超声波单元与接收回波时间数据。上位机模块通过RS-232 总线通讯与单片机或触摸屏连接。

2.2 超声波模块设计

超声波一般指频率超过20 kHz，不在人类听觉范围内的一种弹性机械振动波，依靠介质进行传播。与人的可听声相比，超声波在接触不同介质分界时会产生显著反射，根据此原理可进行超声波测距。如图3 测距原理图所示。

图3 超声波测距原理

除超声波外，目前市场主流测距传感器还包括激光、红外线、CCD 电荷耦合等。各传感器性能有较大区别，主要性能对比如表2 所示。

表2 传感器性能对比

由表2 可知，超声波受色彩、外部光线、环境影响较小，技术难度与成本也相对较低。在灰尘、夜间、雾霾等特殊环境下测量结果均有显著优势。除此之外，超声波传播速度稳定，能实现非接触式无损测量，具有高分辨率与强指向性，低衍射性与强穿透性等优点。非常适合车辆盲区监测对准确度、覆盖率、有效距离、安全性的需求。

由于超声波的测量精度与指向性有关，波束宽度又是指向性的展现，该数值越小则指向性越好。因此根据公式（1）所示，可以通过改变频率等提高指向性。

式中：c代表超声波传播速度；R代表声波发射源直径；f代表声波频率。

由式（1）可知，当频率越高指向性将越好，但过高频有声波衰减问题。因此在实际应用中需要选择合适频率以保证指向性与衰减性的平衡。经式（1）计算与考虑实际应用环境，本装置选择40 kHz 作为使用频率，选择HC-SR04 一体型超声波测距模块作为装置的超声波单元。其主要电气参数见表3。

表3 超声波测距模块电气参数

HC-SR04 体积小巧，简单易用，广泛应用于避障、测距、液位监测等领域，检测精度最高可达3 mm。其引脚电路如图4 所示。

图4 HC-SR04 引脚电路

其中：VCC 接+5 V 电源；GND 为接地端；Trig 为触发端；Echo 为回应端。

在使用过程中，Trig 接入单片机P1.0 引脚，Echo接入单片机P1.1 引脚。当通过I/O 口向Trig 输入至少10 μs 高电平信号后，模块便可自动发射8 个40 kHz方波，同时Echo 将保持高电平直至检测到返回信号。Echo 高电平持续时间即为超声波传播时间t，通过公式（2）：

式中：L代表探头间距；D代表超声波传播速度；t代表超声波传播时间。

通过上式进行计算，即可得到超声波传播距离，用于后续危险分级计算。

2.3 无线通讯模块设计

本设计选用nRF24L01 型无线射频收发器，运行频率2.4～2.5 GHz，使用ISM 频段。融合增强型ShockBurst 技术，可通过内部程序配置通讯频段与输出功率。

运用其多对一通讯与点到多点通讯地址控制功能。将上位机模块nRF24L01 设置为PRX 主接收模式，各监测模块nRF24L01 设置为PTX 主发射模式。连接单片机并配置CE、CSN、IRQ 引脚和SCK、MOSI、MISO 引脚的SPI 配置。在设置过程中，需要特别注意TX_PLOAD_WIDTH 和RX_PLOAD_WIDTH 在主从端的代码宏定义值是否相等。

2.4 显示报警模块设计

上位机显示报警模块包含LCD 显示屏，语音模块，蜂鸣器与灯光模块。显示屏选择INNOLUX WES07 型LCD 显示屏。显示屏大小为7 英寸，支持触摸控制，用于显示监测区域与报警信息。语音报警模块选用ISD1820 型语音模块。支持最大20 s 单次录制时长与外接SD 卡存储。报警模块采用5 V 蜂鸣器与LED 灯，其电路如图5 所示。

图5 蜂鸣器电路原理

3 系统软件设计

本设计采用C 语言完成单片机编程任务。实现监测模块超声波测距、障碍物距离计算、危险分级功能与上位机模块报警控制、上位机显示功能。其中监测模块软件任务流程如图6 所示。

图6 监测模块任务流程

上位机模块软件任务流程如图7 所示。

图7 上位机模块任务流程

4 系统仿真

本装置采用Proteus 软件进行仿真，使用LCD1602液晶屏代替上位机屏幕，由于软件限制，HC-SR04 最大模拟距离为2.9M，仿真中通过控制滑动变阻器模拟HC-SR04 监测距离改变。

搭建完成后，向监测模块与上位机模块单片机分别烧录hex 程序，部分程序如图8 至10 所示。

图8 显示初始化程序

图9 中断入口函数程序

图10 超声波测距程序

调节HC-SR04 滑动变阻器，模拟障碍物距离的改变，观察输出端液晶屏显示数据与报警系统响应，实验结果如表4 所示。

表4 仿真实验结果

5 结语

为消除车辆视野盲区的存在，本文设计一种以AT89C52 单片机为核心的装置，该装置利用多个分布安装的超声波测模块检测障碍物，按照距离划分安全等级，然后通过无线通讯实现上位机控制多重报警。在具体应用方面，本设计整体构型简单、功能合理、性价比高，可根据需求不同换装不同规格超声波模块进一步提升检测性能。