基于MSP430单片机的倒车雷达设计

2万 · 2012-9-13 22:35

超声波雷达又称泊车辅助系统，是一种利用超声波原理，由装载于车尾保险杠上的探头发送超生波撞击障碍物后，反射此声波探头，从而计算出车体与障碍物之间的距离。倒车雷达主要由三部分组成：
感应器（探头），主机，显示设备。感应器发出和接收超声波信号，然后将得到的信号传输到主机里面的电脑进行分析，再通过显示设备显示出来。随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。本文介绍了一种基于MSP430 单片机的超声波倒车雷达监测报警系统。
1 系统的硬件设计
本倒车雷达主要用来显示汽车后面的情景，测量和障碍物之间的距离。整个设计主要由MSP430 单片机、超声波发生模块、超声波接受模块、视频采集模块、LCD 显示模块以及语音报警模块组成。单片机外围扩展一系列功能模块如LCD、USB 接口等，USB 主机接口连接摄像头模块采集视频图像信息系统，结合ARM 处理器实现视频/图像的采集、压缩，并将采集后的数据发送到接收端，并通过LCD 显示出来。
1.1 倒车雷达总体结构
倒车雷达的设计由五部分组成：超声波发生模块、超声波接受模块、摄像头视频采集系统、LCD 显示模块、语音报警系统，其总体体系结构见图1.1.

图1.1 系统的总体设计
各模块完成的具体任务如下：
1.1.1 测距系统：由超声波发生模块、超声波接受模块、单片机控制系统组成，用来测量汽车与障碍物之间的距离。
1.1.2 显示报警系统：主要由USB 摄像头、控制系统、显示模块和语音报警组成，用来显示车后和车侧面的详细情景并通过彩色液晶显示，同时通过语音提示报警。
1.1.3 控制系统：是本系统的核心，采用MSP430 单片机，控制整个系统的运行，对各种接口电路进行控制。
1.2 超声波发射与接收
单稳触发器接收来自S430F1101 的P1.3 端口输出的40ms 脉冲波，经过触发器的电压提升和脉宽控制输出频率不变、高电平宽度为160us 的方波，方波周期为40ms.此脉冲信号作为555 振荡器的置位脉冲。在置位期问，555 定时产生40kHz 的振荡信号，由超声波发射头T40K 将电信号转化成超声波发射出去。超声发射器便发射出脉冲数为7 个的脉冲串（1 / 40kHz=O.25ms），超声波发射器的声波传播到反射物，再由反射物反射到接收器。
超声波接收UCM-R40 接收到的回波信号转换成电压信号，经过两级放大及电压整形电路，整形后的直流电压并不平滑，需加一个电容C5 滤波，滤波后的电压范围基本稳定，用这个电压驱动光电耦合器件SFH65A-1 的发光二极管，这时光敏三极管导通，经过一个反相器输出电平信号，再经过一个反相器使电平信号基本稳定。电平信号直接输入单片机的外部中断入口，该高电平作为MSP430 的外部中断的中断信号使单片机产生中断，在中断服务程序中停止计数器的计时，并计算出有关数据。
1.3 显示电路设计
采用实时图像视频具有直观生动、快速便捷、内容丰富的特点，便于司机及时详尽掌握周围的环境，做出准确的判断。使用USB 摄像头作为本系统的图像采集器件。选择主控芯片型号为中芯微公司的ZC301 摄像头通过USB 接口与AT91RM9200 通信，ARM 经过相应的数据处理，通过液晶屏实时显示。

2 系统的软件设计
2.1 总体思路
软件设计采用模块化设计，包括主程序设计、T1 中断服务子程序、INT0 外部中断服务子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和报警子程序设计等。
系统初始化后就启动定时器T1 从0 开始计数，此时主程序进入等待，当到达65 ms 时T1 溢出进入T1 中断服务子程序；在T1 中断服务子程序中将启动一次新的超声波发射，此时将在P1.0 引脚上开始产生40 kHz 的方波，同时开启定时器T0 计时，为了避免直射波的绕射，需要延迟1 ms 后再开INT0 中断允许；INT0 中断允许打开后，若此时P3.2（INT0）引脚出现低电平则代表收到回波信号，将提出中断请求进入INT0 中断服务子程序，在INT0 中断服务子程序中将停止定时器T0 计时，读取定时器T0 时间值到相应的存储区，同时设置接收成功标志；主程序一旦检测到接收成功标志，将调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速，存储到RAM 存储单元中；单片机再调用距离计算子程序进行计算，计算出传感器到目标物体之间的距离；此后主程序调用显示子程序进行显示；若超过设定的最小报警距离还将启动扬声器报警；当一次发射、接收、显示的过程完成后，系统将延迟100 ms 重新让T1 置初值，再次启动T1 以溢出，进入下一次测距。如果由于障碍物过远，超出量程，以致在T0 溢出时尚未接收到回波，则显示"ERROR"重新回到主流程进入新一轮测试。
2.2 超声波发射和接收部分软件
超声波的接收及障碍物和汽车之间的距离判断方法，并根据判断出的距离触发报警器工作，其工作原理的流程图如图2.1 所示。

图2.1 超声波测距流程图

超声波发射子程序的任务：控制时基电路输出若干个超声波，并同时启动T0 开始计时。在此过程中，要计时采用屏蔽中断，开中断等操作，避免外中断影响该子程序的有效执行。
本系统使用一个中断，即外部中断INTO 是超声波有效回送的指示信号，当中断触发时，可以根据时间差计算出超声波的传输距离。内部定时器TO 用来计时，在发射子程序开始时，启动T0 开始工作，而在INTO 中断服务程序时，停止T0 计时，并读取计时值用以计算距离。
距离子程序是根据MSP430 芯片计数器所提供的传输时间进行计算，并根据计算得出超声波的传输距离。根据主程序的需要，将相关数据存入相关单元，以供主程序进行下一步处理。INTO 中断服务程序将定时器中的值存入R1、R0 两个寄存器中，根据模值减去处置所得到的数值得出时间差。传输距离根据公式S=V*T 进行计算。目标物的距离值，也按公式计算，其中T 为测出的额计数器的计时差值，单位为us.使用该公式即可计算出目标物与汽车的距离。
3 总结
系统利用超声波在空气中的可传播性，实时测得超声波在空气中的传播时间和传播速度，在将时间和速度相乘即得距离的原理，设计了一个基于MSP430 的超声波倒车雷达监测报警系统，用于实时测得汽车尾部与障碍物的距离，通过LCD 显示距离值，将距离值提供给司机，该系统具有成本低、非接触、速度快、可靠性强、适应性好、操作方便，有着广泛的应用前景。
实践应用表明，该设计在生产应用和科学研究方面均具有一定的价值。一方面产品设计的人机界面更为人性化，司机可直接通过LCD显示屏观察车后的详细状况，不需要回头就可以倒车，大大减少了汽车司机的工作量，避免了引导车不慎造成交通事故；另一方面系统不断采集汽车与障碍物之间的距离，并通过语音报警系统实时提醒司机，为我们的倒车提供了更为安全的保障，从而使我们在倒车的时候更方便快捷，同时也更为安全可靠。