基于超声波的分布式车辆视野盲区消除装置设计
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）
摘要：车辆视野盲区是当前车辆设计的固有缺陷，是引发交通事故的重要因素。当今社会针对车辆视野盲区问题而设计的保护装置存在应用场景受限、保护范围小、系统成本高、产品种类少等诸多局限与不足。针对此类问题，本文设计一种以双AT89C52单片机为控制核心，基于超声波测距技术与多对一无线通讯技术，实现盲区监测与上位机远程报警控制装置。主要利用多个自由分布的HC-SR04超声波监测单元进行车辆视野盲区的覆盖与监测，当检测到障碍物后可实现自动测距，并对障碍物进行危险分级划分，进而确定上位机控制指令。基于nRF24L01无线传输功能可实现监测模块与上位机的无线通讯，进行远程报警控制，从而提醒驾驶员注意周边环境。本文在完成装置的硬件设计与程序设计后，通过Proteus对装置进行了模拟仿真，成功验证了设计可行性。该装置具有适用车型广、监测范围大、测量精度高等优点，可有效对车辆视野盲区内物体进行检测与报警。
关键词：AT89C52单片机 超声波 视野盲区 无线通讯
Abstract:
Visual field blindness is an inherent defect of current vehicle design and an important factor causing traffic accidents. In today's society, the protection devices designed for the blind area of vehicle visual field have many limitations and deficiencies, such as limited application scenarios, small protection range, high system cost, and few product types. In order to solve these problems, this paper designs a control device based on dual AT89C52 microcontroller, ultrasonic ranging technology and many-pair wireless communication technology to realize the blind area monitoring and remote alarm control device of upper computer. It mainly uses several freely distributed HC-SR04 ultrasonic monitoring units to cover and monitor the blind area of vehicle visual field. When obstacles are detected, automatic ranging can be realized, and danger classification of obstacles can be carried out, so as to determine the control instructions of the upper computer. Based on the wireless transmission function of nRF24L01, the wireless communication between the monitoring module and the upper computer can be realized to carry out remote alarm control, so as to remind the driver to pay attention to the surrounding environment. In this paper, after the completion of the hardware design and program design of the device, the simulation of the device through Proteus, successfully verified the design feasibility. The device is suitable for a wide range of vehicles, a large monitoring range, high measurement accuracy, and can effectively detect and alarm objects in the blind area of the vehicle field of vision.
Abstract：AT89C52microcontroller ultrasonic visual field blind area wireless communication
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，产品价格高昂等问题[7-10]。
针对以上问题，本文设计了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 系统结构框图
该装置的监测模块由一个可覆盖约15°至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 装置电路原理图
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。
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-24MHz， 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12MHz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20kHz，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 超声波测距原理图
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2.1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1-1所示，可以通过改变频率等提高指向性。
式中：代表超声波传播速度；代表声波发射源直径；f代表声波频率。
由式1-1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1-1计算与考虑实际应用环境，本装置选择40kHz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。其主要电气参数如表3所示：
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3mm。其引脚电路如图4所示，
图4 HC-SR04引脚电路图
其中：VCC接+5V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高电平信号后，模块便可自动发射8个40kHz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，通过公式1-2：
式中：代表探头间距；代表超声波传播速度；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2.4-2.5GHz，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。显示尺寸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秒单次录制时长与外接SD卡存储。
报警模块采用5V蜂鸣器与LED灯，其电路如图5所示。
图5 蜂鸣器电路原理图
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 监测模块任务流程图
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图
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4.1所示：
表4 仿真实验结果表
5. 总结
为消除车辆视野盲区的存在，本文设计了一种以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。
参考文献
[1]任学军.探索视野盲区对驾驶员安全驾驶的影 响[J].科技风,2020,No.434(30):193-194.
[2]胡建易.基于AT89S52和ISD2560的噪声自动报警及语音提示系统设计[J].湖北农机化,2019,No.227(14):112.
[3]Liao Yubin,Ye Qingzhou,Zhang Maolin. A Large-Range Ultrasonic Distance Measuring Device Based on Improved Time Difference Method[J]. Journal of Physics: Conference Series,2022,2404(1).
[4]吴瑞锐,朱晓峰,宋宗峰.基于HC-SR04多超声波避障技术[J].智库时代,2020,No.223(03):281-283.
[5]赵粉荣,赵晴晴,李文威等.基于无线传感器网络的超声波定位节点设计[J].仪表技术与传感器,2018,No.423(04):104-108.
[6]Jiang Yu,Song Rui,Yuan Mingting. Improvement of Ultrasonic Distance Measuring System[J]. ITM Web of Conferences,2018,17.
[7]郝亮,刘雨繁,南洋等.汽车驾驶员前视野拓展系统的设计[J].计量技术,2019,No.534(02):60-62.
[8]刘厚东,余修武,郭睿杨等.基于红外探测的汽车启停盲区安全监测系统研究[J].科技创新与应用,2019,No.284(28):46-49.
[9]李磊磊,冯朝阳,杨文科.一种基于大型货车视野盲区的层叠式预警系统[J].汽车实用技术,2020,No.315(12):9-11.
[10]王乾浩,孙文轩,陈莹等.汽车视野盲区分析及解决方案[J].林业机械与木工设备,2017,45(09):44-46.
作者简介：孟美含（1994-），女，山东省临沂市，硕士，泰山科技学院，研究方向：电气自动化。
基于超声波的分布式车辆视野盲区消除装置设计.docx
