【導讀】摘要汽車倒車雷達是一種能夠?qū)崟r顯示車后障礙狀況的汽車倒車輔助裝置。本文根據(jù)超聲波在空氣中可定向發(fā)射和反射的原理，以超聲波換能器為接?？诓考?，應用單片機技術(shù)設計了一套基于超聲波測距的倒車雷達系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用軟硬結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點。論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。Keywords：Ultrasonic，Ranging，AT89C51，Parkingsensors

　　

【正文】 ，再經(jīng)過橋式整流電路和濾波電容的整理和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個并不十分穩(wěn) 定的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和電容濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直接輸出電壓。如 39 所示的電路為輸出電壓為 +5V、輸出的電流 的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器，橋式整流電路，濾波電容 C C7，防止自激電容 C C8和一只固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 組成 預警電路 報警信號由單片機 口輸出，提供聲響報警信號，電路由電阻 R1三極管 Q蜂鳴器組成，當測量值低于事先設定的報警值時，蜂鳴器發(fā)出 “滴、滴、滴 …..” 報警聲響信號，測量值高于設定的報警值時，停止 發(fā)出報警聲響。 25 圖 310 報警電路 鍵盤控制電路 此鍵盤與單片機 、 、 、 四個引腳相接，用于對報警距離進行設定。其中 S1()表示 “ 確定 ” 按鍵； S2()表示 “ 減一 ” ； S3()表示 “ 加一 ” 、 S4()表示 “ 循環(huán)移位 ” ，對不同位置進行選擇。駕駛員可以根據(jù)自身要求對報警距離進行設定，從而大大提高了駕駛的安全系數(shù)。 超聲波測距顯示電路 超聲波測距儀顯示模塊電路如圖 311 所示。通過單片機的 、 、 、 四個管腳 的信號控制四個三極管的 B 極，利用三極管的開關特性，實現(xiàn)數(shù)碼管的點亮，從而實現(xiàn)動態(tài)顯示。采用 LED 動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過 PIC 芯片的計算后傳到 LED 上，顯示精度是厘米。 單片機 AT89C51 采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減少測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40KHz 方波信號，利用外中斷 0 口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 3 位共陽 LED 數(shù)碼管，用于顯示車尾障礙物的距離，由單片機 — 接 LED 的 a~g 七個筆段， ~ 公共端，通 過軟件以動態(tài)掃描方式顯示。段碼用 74LS244 驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管 9012 驅(qū)動。 26 圖 311 單片機及其顯示電路 27 第四章 系統(tǒng)軟件的設計 超聲波倒車雷達系統(tǒng)的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、 INT0 超聲波接收中斷程序及顯示子程序四個主要模塊組成。 圖 41 軟件設計的總體框圖 （ 1） 系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時候?qū)ο到y(tǒng)的各個引腳的電平分配和對各寄存器的初 始 賦值。 （ 2） 運算結(jié)果處理模塊：運算結(jié)果處理模塊將多次所測得時間進行處理，進行軟件取大值工作，根據(jù)公式計算出距離，然 后再對計算得出的結(jié)果進行修正處理，數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼顯示模塊。 （ 3） 發(fā)射接收控制模塊：發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲脈沖啟動定時器 ，同時啟動接收電路 ，當接收電路有信號輸入時，對輸入信號進行處理。 （ 4） 數(shù)碼管顯示模塊：通過該模塊的設計能夠讓所測得的距離顯示在數(shù)碼管上。 （ 5） 聲光報警模塊：當所測距離小于 預先設定 值時，通過聲 音 報警來 提醒 駕駛員。 超聲波測距的算法設計 超聲波測距的原理：即為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波 接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： 系統(tǒng)各功能模塊 系統(tǒng)初始化 運算結(jié)果處理 數(shù)碼管顯示 發(fā)射接收控制模塊 聲音 報警 28 22 tcsd ??? （ 41） 其中， d 為被測物與測距儀的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時間。 超聲波的指向性強，能量消耗緩慢，遇到障礙物后反射效率高，是測距的良好載體。測距時有安裝在同一位置的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，有定時器計時。首先由發(fā) 射器向特定方向發(fā)射超聲波并同時啟動定時器計時，超聲波 在 介質(zhì)傳播途中一旦遇到障礙物后就被反射回來，當接收器收到發(fā)射波立即停止計時。這樣，定時器就記錄下了超聲波自發(fā)射點至障礙物之間往返傳播經(jīng)歷的時間 t 。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播數(shù)的約為 340m/s，所以由公式 （ 41） 知發(fā)射點距離障礙物之間的距離為： S=340t/2=170t 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 產(chǎn)生一個 中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。在使用時，如果溫度變化不大，則可以認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＦ洳糠衷闯绦蛉缦拢? RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 //關外部中斷 0 MOV R7, TH0 //讀取時間值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH //計算時間差 MOV 31H, A //存 儲結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, 3CH MOV 30H, A SETB EX0 //開外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI 29 主程序 設計及其流程圖 主程序是單片機程序的主體，整個單片機端系統(tǒng)軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務程序。程序首先完成初始化過程，然后是一個重復的控 制發(fā)射信號的過程，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都 判斷在發(fā)射信號后延時等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序的流程 。 工作時，微處理器 AT89C51 先把 置 0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動內(nèi)部定時器 T0 開始計時。要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后 毫秒才可以檢測，這樣就可以抑制輸出的干擾。當超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描 int0 引腳，如果 int0 接收的信號有高電平變?yōu)榈碗娖?，此時表明信號已經(jīng)返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。然后再根據(jù)現(xiàn)場情況進行聲光報警。下圖 42 為主程序流程框圖。 30 圖 42 主程序流程圖 開始 初始化 發(fā)射超聲波 啟動定時 開中斷 Testok=1 計算距離 開報警 距離 關報警 顯示距離 Testok=2 Testok=0 N Y 顯示 OFF 顯示距離 31 超聲波發(fā)送及接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個左右超聲波脈沖信號（頻率約40KHz 的方波），脈沖寬度為 12μs 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行計時。主程序利用為中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（ INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷程序后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1 即 Testok=1。如果當計時器溢 出是還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2，及 Testok=2 以表示此次測距失敗。超聲波發(fā)射程序比較簡單，主要包括 T0 中斷服務程序和超聲波接收中斷服務程序。 下面分別給出各自的流程圖如圖 43 和 44： 圖 43 T0 中斷子程序 圖 44 超聲波接收中斷子程序 超聲波發(fā)生子程序雖簡單，但要求程序運行準確，需要采用匯編語言編程。 1） 40KHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射。 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用 UCM40 的壓電陶瓷 傳感器，它的工作電壓是 40KHz的脈沖信號，這由單片機執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。 PUZEL： MOV 14H, 12H //超聲波發(fā)射持續(xù) 200ms HERE： CPL //輸出 40KHz 方波 NOP ； 屏蔽外部中斷 屏蔽定時器 中斷 關定時器 屏蔽外部中斷 關定時器 Testok=2 返回 屏蔽定時器中斷 關定時器 T0 關外部中斷 Testok=1 返回 屏蔽 T0中斷 32 NOP ； NOP ； DJNZ 14H， HERE； RET 前方測距電路的輸入端接單片機 端口，單片機執(zhí)行上面的程序后，在 端口輸出一個 40KHz 的脈沖信號，經(jīng)過三極管 T 放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭 UCM40T，發(fā)出40KHz 的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射 200ms。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接 和 端口，工作原理與前方測距電路相同。超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片 機 INT1 端口，同時單片機 和 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。部分源程序如下： RECEIVE1： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX1 //關外部中斷 1 JNB , RIGHT // 引腳為 0,轉(zhuǎn)至右測距電路中斷服務程序 JNB , LEFT // 引腳為 0,轉(zhuǎn)至左測距電路中斷服務程序 RETURN： SETB EX1 //開外部中斷 1 POP ACC POP PSW RETI RIGHT： ... //右測距電路中斷服務程序入口 AJMP RETURN LEFT： ... //左測距電路中斷服務程序入口 AJMP RETURN 顯示子程序和蜂鳴報警子程序 先進行動態(tài)顯示初始化將指針指向緩沖區(qū)首地址，然后去顯示位指針，取要顯示的數(shù)， 33 再將數(shù)變成段碼，然后將段碼送段控制器，位碼送位控制器，在延時，然后判斷是否是最后一位，是否顯示完畢，沒有的話修改該緩沖區(qū)指針和位碼，直到顯示完畢。 顯示及報警子程序框圖： 圖 45 顯示子程序框圖 圖 46 報警子程序框圖 報警子程序 取測量值 LED顯示 Y 距離小于 1m 返回 蜂鳴報警 N 外部中斷入口 初始化 開位選 查表送段碼 位選左移一位 修正段碼指針 返回 顯示完畢 N Y 34 第五章 系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試 超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用超聲波換能器TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40KHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干 擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 ～ ，測距儀最大誤差不超過 1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。 35 結(jié)束語 本文所設計的倒車雷達系 統(tǒng)是保證汽車安全的輔助系統(tǒng)。通過超聲波探頭反射超聲波，使用高速單片機計算測量車與障礙物之間的往返時間然后再計算出車與障礙物的距離，并加入了軟件補償，提高了距離計算的精度，然后顯示在 LED 數(shù)碼管上，當在探測的范圍有障礙物時，蜂鳴器提示報警，距離越近蜂鳴器的報警頻率也越大，當距離小于最小安全距離時，蜂鳴器不間斷報警。實際測試證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠滿足一般近距離測距要求，且成本低、有良好的性價比。該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定的時間，測得的距離有誤差，在汽車雷達應用中誤差為 1cm 可忽略不計，由于此電路具有設計簡單， 價格便宜，測量精度比較高的優(yōu)點。 36