基于超声测距雷达的智能防碰撞预警系统设计

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1、基于超声测距雷达的船艇智能防碰撞预警系统设计张伟摘要：针对船艇航行中的碰撞事故，设计了以单片机为核心，结合自动舵系统的船艇智能防碰撞雷达预警系统，利用超声波实现无接触测距；结合自动舵系统自动减速减速；同时配备语音报警功能。关键词：测距雷达，超声波，单片机，减速。0引言：随着水运产业的快速发展，近年来我国的船艇使用率日益增长，流量越来越大，船艇碰撞事故也越来越多。特别是狭水道航行中，船速较高，驾驶员长途驾驶容易疲劳。因此，增强船艇的自动控制能力，研制船艇自动避碰雷达系统便成为近些年来的研究热点。快速、准确地测量障碍物与船艇之

2、间的距离是安全避免障碍物的前提。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触式测距的雷达系统实时测距，并结合自动舵系统避免可能发生的碰撞。1超声波测距原理：超声波测距主要是利用超声波的反射特性进行测距。超声波发射器不断的产生超声波，超声波通过介质到达物体表面，遇到障碍物后形成反射波，反射波再经介质传播返回到接收器，由超声波接收器把声波信号转换成电信号，传入单片机测距系统。超声波测距的方法有很多，如渡越时间法、相位检测法、声波幅值检测法。考虑到检测距离比较长，本系统采用渡越时间法。即：L＝ct／2（1）式中，L为超声波测

3、距设备与障碍物间的距离，单位（m）；c为声速，单位（m／s）；t为第一个回波到达的时刻与发射脉冲之间的时间差，单位（s）。2系统结构及工作原理系统由STC89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、减速电路和语音电路组成。系统整体结构如图1所示。系统采用收发异体的超声波传感器。当单片机STC89S52接到外部启动测距的命令后，立即控制NE555产生40kHz的频率信号来驱动超声波传感器，每次发射包含10个脉冲，当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数。当检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样能够得到从发射到

4、接收的时间t。利用公式（1）来计算距离。根据结果发出指令作用于减速电路和语音报警电路。3系统硬件设计系统硬件部分由超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、自动舵系统和语音电路五个部分组成。3.1超声波发射电路超声波发射电路如图2所示。超声波发射电路中，由NE555构成多谐振荡器，其振荡器频率由电位器W1、电阻R1和电容C3决定，通过调节W1可以改变振荡频率，输出产生频率为40kHz的方波，经过CD4069放大，推动超声波换能器S1发声。NE555的第4脚使能端可由单片机控制，当需要发射超声波信号时为高电平。3.2超声

5、波接收电路超声波接收电路如图3所示。换能器S2接收到的微弱信号，经过两级放大。信号首先经交流耦合后，输入TL082进行第一级放大，其放大倍数为：A1＝－R6／R4＝－50，放大后的信号再经过交流耦合送入TL082进行第二级放大，放大倍数为A2＝－R9／R7＝－20。信号总增益为A＝A1*A2＝1000。经过放大的信号由比较器LM311整形，加上拉电阻输出，即标注为"TTLout"的TTL电平信号，被单片机接收。3．3减速电路将自动舵系统与单片机连接，由单片机经过对测距雷达数据的处理，对自动舵系统发出指令。自动舵系统执行单片

6、机发出的指令做出相应动作。3．4语音报警电路语音电路采用ISD4004语音芯片构成。ISD4004是一种长时间非易失性语音芯片，工作电压为3V，采样频率可为4．0kHz电压3V，采样频率可为4．0kHz、5．3kHz、6．4kHz和8．0kHz，对应的单片录放时间分别为8min、10min、l2min和16min。采用直接模拟量存贮，音质好。4系统软件设计程序的主要任务是检测发送脉冲和接收脉冲，启动定时器得出时间，再经过数据处理，温度补偿修正计算出实际距离。采用模块化设计，程序由主程序测距程序、温度采集程序、显示程序、语音

7、播报程序组成。待每个模块完成成功后，再进行综合调试。软件主程序流程图如图4图45结束语将该超声波测距系统应用在船艇防碰撞系统中，驾驶员可以预防前方船艇减速而反应不及，或前方突然出现的障碍物。实现自动避碰，帮助驾驶员安全驾驶，消除事故隐患，具有较好的实用价值。参考文献：［1］吴研．汽车倒车雷达预警系统研究［D］．武汉：武汉理工大学自动化学院，2007．［2］程军.汽车防抱死制动系统的理论与实践[M].北京:北京理工大学出版社,1999.［3］FLINGR,FENTONR.ADescribingfunctionApproach

8、toAntiskidDesign[J].IEEETrans.VehicularTechno.l,1981,VT30:134-144［4］李双科，吴记群．基于AT89S51单片机控制的汽车倒车雷达系统设计与实现［J］．兰州石化职业技术学院学报，2005（4）．勤务船大队AD301艇航通班班长张伟江苏省靖江