汽車倒車防撞雷達系統原理及優化的探討

摘要：文章概述了利用單片機控制的超聲波測距應用于汽車倒車防撞雷達系統的基本原理，例如當汽車倒車時，啟動單片機及外部傳感器實現距離測量，單片機對超聲波的發射與接收通過計時進行控制，當所測得的距離小于預設的安全距離時，啟動聲光報警，有效避開可能對倒車造成危害的障礙物和行人。同時文章對該系統存在的弊端及其優化思路進行詳細闡述。

關鍵詞：超聲波；單片機；測量；優化

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)33-1498-02

The Principle of Car's Back up Alarm Radar System and the Discussion for Optimizing of the System

LIN Yong

(Anhui Broadcasting Movie and Television College， Hefei 230022， china)

Abstract: This paper summarized the basic principle of Ultrasonic Distance Measurement system applied in car back up alarm radar system controlled by Single-Chip. For example ，When the car walk back up， the Single-Chip and the outer sensor are started to measure distance. The Single-Chip controls the transmitting and receiving of ultrasonic by calculating time. If the measured distance is shorter than the set safety distance， the light alarm system will be worked， and the possible harm from barrier and foot passengers will be effectively avoided. At the same time， defect and optimizing thoughts of the system are expounded in detail.

Key words: ultrasonic; single-chip; measuring; optimization

1 倒車防撞雷達系統基本原理

該文的汽車倒車雷達系統，是以MCS-51系列單片機為控制芯片，當汽車進入倒車狀態時，單片機控制超聲波發生器每隔一定時間發出一串40KHz超聲波，同時不斷檢測反射的回波，從而測得時間差T，然后求得距離。見公式(1)。

S=C*T/2(1)

式中的C為聲波在空氣介質中傳播的速度，從而實現對車尾與車后障礙物之間的距離進行實時測量（如圖1）并用顯示器顯示，根據所測量的距離是否安全發出相應的聲光報警。

由圖1可以看出，由于超聲波利用接收發射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在反射與發射之間的夾角，其大小為2α。當α角度很小時，直接按上式計算得到距離，當α較大時，則必須進行距離修正，修正公式為S=cosα*(CT/2)，傾角α與超聲波發射探頭與接收探頭的安裝位置有關，在實際應用中，應注意適當安裝。

2 系統硬件原理圖

汽車倒車防撞雷達系統其核心部分是超聲波測距，它主要包括：溫度檢測電路、超聲波發射及控制電路、超聲波接收及信號處理電路、顯示電路、報警電路、微處理器及其輔助電路（如圖2）。具體方案如下：

1）89C2051單片機為主控制器，利用其片內時鐘電路，低電壓、低功耗，以及封裝體積小，便于嵌入其它系統等諸多優點，能很好地滿足設計的有關要求；

2）數碼管顯示器顯示距離數值，單位為mm，數碼管接口基于MAX7219進行設計；

3）超聲波發射與接收采用分離設計，即單獨采用發射器和接收器，而不是采用發射接收一體化器件，以降低調試的復雜性，提高系統安裝的靈活性；

4）系統電源以+12V為主電源，通過穩壓電路得到系統需要的+5V電壓。

3 系統弊端及其優化思路

3.1 低功耗問題的提出

由于時鐘為連續性工作狀況，因此其平均功率消耗的高低不僅對節能有現實意義，而且對降低系統溫度、提高系統長期安全可靠運行也有現實意義。對于以微處理器為核心的系統，其平均工作功率取決于系統的硬件設計，主要是低功耗器件的選用，同時也取決于系統的軟件設計，主要是系統的運行模式等。

3.2 低功耗問題的解決思路

核心89C2051單片機有睡眠（IDLE）和掉電（POWER—DOWN）兩種工作模式，通過分別置位PCON寄存器中的IDL位和PD位來做選擇。在待機方式下，晶體振蕩器頻率為12MHz，電源電壓為5V時，電源電流從20MA降至5MA，而電壓為3V時，電流由5.5MA降至1MA，由此可見其節電效果是十分明顯。任何一個中斷或硬件復位都能喚醒中斷工作模式，恢復正常工作模式。在硬件方面，在倒車時，才會接通電源，而平時是處在無電源狀態。

3.3 抗干擾問題及解決方法

由于汽車在工作時的高壓點火，對外有很強的電磁輻射，電磁環境惡劣，故在硬件及軟件方面就抗干擾問題都進行考濾。解決方法如下：

1）良好的接地

接地不良時將形成明顯的共模干擾，以及受其它高頻干擾。接地應用原則：一般高頻電路應就近多點接地，低頻電路應同一點接地。在高頻電路中，地線上具有電感，因而增加了地線阻抗，而且地線變成了天線，向外輻射噪聲信號，因此要多點就近接地。在低頻電路中，接地電路若形成環路，對系統影響很大，因此應同一點接地。除此之外數字電路模塊和模擬電路模塊應分開接地。

2）屏蔽

硬件方面，超聲波的接收在前級是弱小信號，傳感器的連接采用質量好的單芯屏蔽線，保證小信號的可靠傳輸，在信號的放大部分采用濾波器，濾去高頻和低頻干擾。發射和接收部分分塊設計，像控制器一樣用金屬外殼對外電磁場進行屏蔽，對于各種通過電磁感應引起的干擾特別有效。

3.4 發射接收時間對測量精度的影響分析

采用壓電超聲波傳感器，脈沖發射由單片機控制，發射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數規律。設測量設備基準面距被測物距離為h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為（見公式2）：

(2)

由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。

由以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產生影響。

3.5 聲速的溫度補償問題與優化

3.5.1 當地聲速對測量精度的影響分析

當地聲速對超聲波測距測量精度的影響遠遠要比收發時間的影響嚴重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，在空氣中，當地聲速只決定于氣體的溫度，因此獲得準確的當地氣溫可以有效的提高超聲波測距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當地聲速的公式如下（見公式3）：

(3)

式中C0=331.4m/s ； T為絕對溫度，單位K 。

此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1℃， 聲速將增加或者減少 0.607m /s ，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重的，因此提高超聲波測量精度的重中之重是獲得準確的當地聲速。

3.5.2 溫度校正的方法提高測距精度

由上述的誤差分析知，如果能夠知道當地溫度，則可根據公式(4)求出當地聲速，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關鍵在于獲得溫度數據的方法，采用熱敏電阻、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的溫度值。

(4)

式中C0=331.4m/s 為零度時的聲波速度； T為實際溫度，單位攝氏度 。

為了便于對溫度信號的數據采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產的 DS18B20 集成溫度傳感器。DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 總線專利技術，能夠僅在占用控制器一個 I/O 口的情況下工作（芯片可由數據線供電），極大的方便了使用者的調試使用，而且其在－ 10℃ ～＋ 85℃ 的工作環境下可以保持± 0.5% 的使用精度，在這個空間內足以保證為超聲波測距設備提供足夠的精度范圍。通過 DS18B20 芯片獲得的數據信號經由 1-WIRE 總線傳至 MCU ，由軟件進行聲速換算補償，能夠滿足較高精度超聲波測距的設計要求，因此可靠性得到保障。

4 結束語

以上是汽車倒車防撞雷達系統原理及優化的概述，實際中測量車后一定距離范圍內的物體與車尾的距離，并以MCS-51系列單片機作為中心控制單元，這種倒車防撞雷達通過顯示器可以及時顯示障礙物距車尾的距離，顯示范圍能達到0.1～5.0M。采用四位數碼管可顯示數值，單位mm，還可以根據幾段距離分別設計出幾種不同的報警信號，以警示司機幾種不同程度的緊急狀態，使司機據此做出相應的操作，防止事故的發生。通過硬件元件選取與改造對低功耗問題和抗干擾問題進行解決，而對聲速的溫度補償等問題的軟件優化達到了良好的效果，保證了此系統的可靠性。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”