（武汉轻工大学电气学院 湖北武汉 430000）
摘要：基于超声波测距技术和单片机设计了一个超声波倒车雷达系统，具有精度高、灵敏度高、误差小和抗干扰能力强等特点。
关键词：单片机；超声波；倒车雷达
随着我国社会的快速发展，国内机动车的保有量快速上升，相关数据显示，截止2018年9月，国内机动车驾驶人数达到了4.03亿人，汽车保有量超过了3.22亿量，而且还在不断的增长之中。随着汽车数量的快速增长，其导致的交通数量也在不断的增加。泊车是机动车驾驶过程中常见的驾驶操作，由于这一原因造成的交通事故也很常见。一般来说，由于泊车所导致的事故都是比较轻微的，如保险杠撞凹、车尾灯碰碎以及和其他车发生剐蹭等，但是也不乏比较严重的事故，甚至造成人员的伤亡。
为了降低由泊车所导致的事故发生的概率，当前大多数高中档轿车都装配了倒车雷达。倒车雷达即“倒车防撞雷达”，是一种汽车泊车的安全辅助装置，能够在驾驶员泊车过程中，通过声音或者是视频显示的方式来为驾驶员提供障碍物的信息，从而方便驾驶员的泊车操作，提高泊车过程的安全性。当前，倒车雷达采用的测距方式主要有超声波测距、红外线测距和激光测距等。其中，激光测距容易受到环境因素的干扰，而且成本也比较高；而红外线测距方法则需要较长的响应时间；超声波测距具有较高的精度和较强的定向性，而且测量速度比较快，因此超声波测距在倒车雷达中的应用越来越广泛。本文基于AT89C52 单片机，设计了一种超声波语音倒车雷达，具有准确显示车辆和障碍物之间具体距离的功能，而且还可以通过声音以及动态数字显示的方式进行告警，提醒驾驶员注意障碍物，对于提高泊车的安全性有比较大的帮助。
1 系统总体方案设计
本文设计的倒车雷达系统包括超声波发送接收模块、LED显示模块、语音报警模块和温度测控模块等几部分组成，各个部分分别承担不同任务，下面对各部分的任务进行介绍：
（1）测距系统。测距系统的主要作用是进行汽车和障碍物之间的距离测量的，主要包括单片机控制系统和超声波发送接收模块。
（2）显示报警系统。显示报警系统主要包括语音报警模块、显示模块以及单片机控制系统，显示模块的功能是显示汽车和障碍物之间的距离，语音报警模块的功能是进行声光报警。
（3）温度测控模块。应用超声波进行距离的测量时，温度会对其准确性造成影响，温度测控模块的作用就是通过温度补偿修正的方式来对温度波动造成的距离测量误差进行修正，从而确保距离测量的准确性。
（4）单片机控制系统。单片机是整个系统的核心，整个系统的运行都是由其进行控制的，同时各种接口电路的控制也是由其进行的，本系统选用的是AT89C52单片机。
在汽车进行倒车时，超声波倒车雷达系统开展工作，单片机会记录下超声波发射时刻到接收到超声波返回信号的时间间隔，温度测控模块则会对当前的温度进行检测，从而确定此时声波的传输速度，然后计算出障碍物和超声波之间的距离。
在实际的运行过程中，当开始倒车时，单片机的某一端口会输出频率为40KHz的方波，经过超声波发射器探头产生的机械谐波发射超声波，此时定时器会同步开始工作，当超声波回波接收探头收到返回的信号之后，会经过方法整形送至比较器，然后比较器就会输出变化高电平，这也是单片机中断的请求信号，当单片机接收到这一中断信号后，会读取定时器时间并且计算距离，然后控制LED显示距离，并控制语音系统播报警示音，这整个过程会一直循环，直到汽车停止倒车。
2 倒车雷达系统的设计
倒车雷达系统主要包括硬件系统和软件系统两部分，下面就分别从硬件、软件两方面对倒车雷达系统的设计进行介绍：
2.1 系统硬件设计
本文所设计的超声波倒车雷达系统主要由电源电路、超声波发送接收模块、显示模块、主控中心、报警电路和温度测控模块等几部分组成，本文所设计的超声波倒车雷达的硬件部分电路图如图1中所示：
图1 超声波雷达倒车系统电路设计图
（1）超声波发送接收模块。超声波发送和接收模块由超射波发射电路和超声波接收电路两部分组成。其中，超声波发射电路主要由两个组件，即反相器74LS04以及超声波发射换能器T。超声波换能器包括两部分，即换能板和两个压电晶片。单片机输出的两路方波信号（40kHz）会分别的施加到超声波的两个电极之上，同时还需要在电路上加设两个电阻，用于增强超声波换能器的阻尼效果，从而提高反相机4LS04 输出高电平的能力，并且起到压缩自由震荡时间的效果。超声波换能器中的压电晶片，是具有固定的震荡频率的，而在这一频率和外加脉冲信号的频率一致的情况下，压电晶片的共振板就会发生振动，并且产生超声波，从而起到将机械能转变成电信号的作用。
当超声波发射模块发射出信号被CX20106A 接收到之后，CX20106A会做出动作，产生一个低电平脉冲，这个脉冲信号会被当做中断信号，并且会被传输到单片机外部的中断引脚，当中断引脚接收到这一脉冲后，就会执行中断程序。
（2）显示电路。显示模块主要由液晶屏以及相应的电路组成，显示屏会和单片机相连，在单片机的控制下显示相应的信息。由于本设计中设定的汽车倒车的安全距离是20cm，如果倒车时汽车和障碍物之间的距离小于20cm，那么就会激活声光报警器，与此同时汽车和障碍物之间的距离会在液晶屏上显示出来；而当汽车和障碍物之间的距离超过4.5时，液晶显示屏不会启动，不进行距离显示。
（3）报警电路。报警电路的核心部件是三极管，其在报警电路中的作用是放大电流。当检测到汽车和障碍物之间距离不超过20cm时，单片机BP引脚为高电平时，三极管就会导通，起到放大电流的作用，蜂蜜器会发出声音，LED也会进行闪烁报警；而如果当检测到汽车和障碍物之间距离超过20cm时，单片机的BP引脚在低电平状态，三极管也会截止，此时蜂鸣器和LED等都不会进行报警。
（4）温度测控电路。在设计温度测控电路时，为了对电路结构进行优化，提高电路的精度，系统应用了集成温度传感器DS18B20，该传感器具有良好的性能，其包含9位温度度数寄存器，通过其进行温度的指示。该传感器的通信方式非常简单，通过一根接口线就能够实现指令的写入和温度的读取，而且能够快速的实现温度变化，精度高，用户可定义非易失性的温度警告设置。这一传感器并不需要复杂的供电电路，通过数据线就是可以对其进行供电，甚至可以不使用外围器件就可以工作。基于传感器DS18B20的温度测控电路，可以准确测量-55~125℃的温度，测温分辨率可以达到0.0625℃。
2.2 系统软件设计
相较于硬件部分，软件部分的设计更为简单，主要包括三个模块，即主程序、超声波测距模块以及声音报警模块等三部分。其中，主程序的主要功能是进行系统的初始化，以及中断程序等；语音报警模块是对语音进行控制的模块，语音的播放与停止都由这一模块负责；超声波测距模块的主要功能是进行超声波的发射、接收，并且计算出汽车与障碍物之间的距离。程序设计的总体思路为，在检测到开始倒车的信号之后，主程序立即对定时器、终端系统进行初始化，设定初始参数，然后发出40KHz的方波信号，然后等待接收中断新号，在接收到中断信号之后，调用距离计算子程序、显示测试距离、发出语音同步提示控制信号
2.2.1 声速的温度补偿算法
本设计中采用超声波进行测距，温度会对声波传输速度造成比较大的影响，因此需要应用温度补偿算法来对温度进行修正。声波的传播速度C和环境温度T之间具有如下关系：
2.2.3 语音报警程序
本系统的语音芯片选择ISD2560语音芯片，该芯片能够接收单片机发出的命令。其具有录音和放音等功能，当其接到录音指令之后，会储存麦克风传出的语音；当其接到放音指令之后，则会立刻驱动扬声器，将声音放出。
在进行语音录放系统的设计时，单片机写入ISD2560器件的控制字及定时中断控制。单片机的语音录放系统程序则采用模块设计的方式，设计两个子程序来分别实现录音录取和播放的功能。除此之外，还应该进行主函数通信的中断服务子程序及延时程序的设计。
3 实物调试
为了检测本文设计的超声波倒车雷达系统的功能，对系统的功能进行了测试。具体的测试方式是将系统通上电之后，依次将物体放置在0.08m、0.20m、0.21m、4.49m以及5m的位置之上，对液晶显示屏的结果以及声光报警器的响应情况进行检查，结果如表1中所示：
从上表中可以看出，在障碍物和汽车的距离不超过20cm时，系统发出警报，液晶屏显示距离，灯光报警器发出报警；而当障碍物和汽车的距离在20cm和4.5m（系统的探测范围）之间时，液晶屏能够准确的显示距离，而声光报警器不响应。在障碍物和汽车距离超过4.5m后，液晶屏不显示内容，灯光报警器也不响应。因此，本文所设计的超声波倒车雷达系统的实际功能和系统设计标准一致。
表1 测试结果
结论
本文基于AT89C52 单片机，利用超声波测距具有加高的精度和较强的定向性，而且测量速度比较快的特点，设计了一种超声波倒车雷达系统，系统的探测范围为4.5m，在障碍物和汽车距离在0.2~4.5m的范围内，其会将距离在显示屏上显示，但是不会报警；在障碍物和汽车距离不超过0.2m时，显示器上会现实距离，并且通过蜂鸣器和LED灯进行声光报警。
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作者简介：姓名：许思源，男，1997年4月，本科，研究方向：检测技术与自动化装置。
论文作者:许思源
论文发表刊物:《科技研究》2019年2期
论文发表时间:2019/5/14
标签：超声波论文; 系统论文; 单片机论文; 模块论文; 障碍物论文; 距离论文; 倒车雷达论文; 《科技研究》2019年2期论文;