基于单片机的倒车雷达的设计

摘要：为降低汽车倒车时的碰撞事故，提出了一种基于单片机的超声波测距倒车雷达的设计方案。该设计根据超声波测距原理，采用AT89S 52单片机为控制核心，设计了超声波测距倒车雷达，并对测量距离误差进行了分析。测量距离为0．1～5．0m，其精度经过校正后可达1 cm。该设计结构简单、工作可靠，有良好的测量精度和灵敏度。
关键词：倒车雷达；单片机；超声波；测距

    随着我国经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，公民汽车保有量大幅上升，同时也伴随着出现了诸多问题，当汽车行驶在道路狭窄的城市，像泊车、掉头这类简单的事对司机朋友们来说也成为了巨大的考验，由此造成了大量的经济损失和不必要的争执。面对如此窘境，基于超声波测距的倒车雷达登上了历史的舞台并开始造福人类。倒车雷达是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示方式，告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。系统采用基于单片机控制的倒车雷达系统，由单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用超声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。

1 系统总体设计
1．1 系统设计思想
   倒车雷达系统采用模块化设计，根据功能需要主要包括超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路以及显示电路等，各信号线与控制线都接单片机，并在其指挥下统一协调工作，如图1所示。驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，单片机AT89S52产生短暂的40 kHz信号，经放大后通过超声波传感器输出，超声波经过障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机将此信号经过处理后，计算得到距离值，并将其送入显示模块，当超过一定距离触发报警电路，对驾驶员进行提示。

1．2 AT89S52单片机简介
    AT89S52是一种低功耗、高性能的8位微控制器，具有8 k字节在系统可编程Flash存储器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，AT89S52拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
    AT89S52具有以下标准功能：8 k字节Flash，256字节RAM，32位I／O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器／计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器／计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
1．3 超声波传感器原理与应用
    超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
    超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
    超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
    1)工作频率  工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
    2)工作温度  由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
    3)灵敏度  主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大。灵敏度高；反之，灵敏度低。

2 硬件电路设计
2．1 超声波发射电路
    单片机AT89S52编程产生40 kHz的方波，由P1．1口输出，由于信号较弱，无法直接驱动超声波发射探头，所以要再经过放大电路，才能驱动超声波发射探头发射超声波。发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本设计所选用的是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器LM386，超声波发射电路如图2所示。

2．2 超声波接收电路
    超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路3部分，超声波接收电路的设计如图3所示。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。按照上面所讨论的原理，单片机需要的只是第一个回波的时刻。

    为减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用了一片LM324通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。合理调节电位器R12，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。
2．3 显示与报警电路
    系统报警电路由一个三极管、一个蜂鸣器和一个电阻组成，其中R16的阻值为4．7 kΩ。当倒车雷达探测到的距离小于一定值时，触发蜂鸣器报警。控制蜂蜜器的晶体管接单片机的P2．3引脚，其引脚电平为高时报警。其电路图如图4所示。

3 系统软件设计
    在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0．1 ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12 MHz的晶振，机器周期为1μs，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按下面公式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为344．m／s则有：d=9
(CxTo)÷2=72xT0÷10000cm(其中T0为计数器T0的计数值)。测出距离后结果将以十进制BCD码的方式显示，然后再发射超声波脉冲重复测量。

4 抗干扰设计
    由于倒车雷达的工作环境比较容易受外界的振动、冲击、电磁等干扰，必须在硬件和软件设计中考虑抗干扰的能力。本设计在电源的输入端串联了一个LC滤波器和扼流圈，防止干扰信号的串入；在硬件电路设计时增加了信号隔离、接地屏蔽；软件设计时对脉冲信号进行了滤波。

5 结论
    文中设计的是基于AT89S52单片机的超声波倒车雷达，其结构简单、体积小、抗干扰性能好，可应用于汽车倒车等场合，提醒驾驶员倒车时有效地避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人，从而有效避免由于倒车造成的汽车碰撞或擦伤经济损失和人身安全问题，具有较强的实用性。当然，要满足更高的精度要求，还须进行适当改进，例如可增加温度补偿单元；在某些特殊场合的应用中，还要考虑超声波的入射角、反射角以及超声波传播介质的密度、表面光滑度等因素。