基于單片機的超聲波倒車雷達設計及誤差分析

【摘要】隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對汽車使用的要求越來越高，為了保證駕駛員倒車和泊車時的安全，在汽車上都安裝了倒車雷達，本文設計一種以51單片機為主控制器，利用超聲波模塊HC-SR04，設計出一套可在1602液晶上實時顯示障礙物距離的超聲波測距儀，并通過在恒溫條件下采集大量數據，與實際距離進行比較，通過matlab擬合出曲線，了解它的測量精度和誤差。

【關鍵詞】超聲波;測距;誤差分析;matlab

1.超聲波測距的原理

通過超聲波發射裝置發出超聲波，根據接收到超聲波的時間差就可以知道距離了。我們選用的是HC-SR04模塊，通過時序圖可知，只要提供一個10us以上的觸發電平，該模塊內部將自動發出8個40kHZ的方波并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。由此通過發射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。距離=高電平時間*聲速/2;為防止發射信號對回響信號的影響，測量周期在60ms以上。由于超聲波也是一種聲波，其聲速與溫度有關，表1列出了不同溫度下的聲速。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

由表1可知，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米/秒，為了分析誤差方便，在恒溫條件下采用了30攝氏度來測量。

2.硬件電路設計

2.1 單片機最小系統模塊設計

我采用的是51單片機，單片機最小系統包括晶振電路，復位電路和晶振電路，其中電源電路用來提供單片機運行所需的5V直流電，晶振電路為單片機提供振蕩源，為單片機正常工作提供保證，復位電路是防止單片機在運行程序時跑飛，當程序跑飛時，按下復位鍵，程序從頭開始執行，圖1是用protel畫的原理圖。

2.2 液晶動態顯示模塊

我們采用的是1602液晶，液晶體積小，功耗低，顯示操作簡單，只能顯示ASCⅡ碼，液晶的原理圖和測試距離時的顯示如圖2、3所示。

2.3 超聲波測距模塊

HC-SR04超聲波測距模塊可測2cm-400cm，精度3mm，模塊包括超聲波發射器，接收器與控制電路，我用于測量距離的實物圖和在示波器上的回波如圖4、5所示。

3.系統軟件設計

系統的軟件設計采用了模塊化設計，分為主程序，超聲波程序，中斷與定時程序，液晶顯示程序等。程序具體執行過程如圖6所示。

4.設計結果

在實驗室恒溫條件下（聲速為定值），測量了2cm-315cm，利用直尺，箱子（用來做障礙物），用直尺來測量障礙物距離超聲波傳感器的距離，1602液晶顯示測得的距離，使箱子不斷移動來測得大量數據并取平均值，測量的數據如表2所示：表2中數據的單位為厘米（cm）。

表1 不同溫度下的聲速

溫度（℃） -30 -20 -10 0 10 20 30

聲速（米/秒） 313 319 325 323 338 344 349

表2

實際距離 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

測試距離 2.6 4.3 5.8 7.2 10.2 11.7 13.2 15.8 18.3 20.6 22.1

誤差 0.6 0.3 0.2 0.8 0.2 0.3 0.8 0.2 0.3 0.6 0.1

實際距離 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44

測試距離 23.9 25.4 27.6 29.5 31.7 33.2 36.1 38 39.8 41.7 43.6

誤差 0.1 0.6 0.4 0.5 0.3 0.8 0.1 0 0.2 0.3 0.4

實際距離 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66

測試距離 45.5 47.4 49.2 52.4 54.1 55.9 58.1 59.7 62.1 63.8 65.7

誤差 0.5 0.6 0.8 0.4 0.1 0.1 0.1 0.3 0.1 0.2 0.3

實際距離 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88

測試距離 67.5 70.1 72 73.7 75.6 77.8 79.4 81.7 83.6 85.4 87.9

誤差 0.5 0.1 0 0.3 0.4 0.2 0.6 0.3 0.4 0.6 0.1

實際距離 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110

測試距離 89.8 91.7 93.6 95.9 97.6 99.5 101.4 103.2 105.8 107.7 109.8

誤差 0.2 0.3 0.4 0.1 0.4 0.5 0.6 0.8 0.2 0.3 0.2

實際距離 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 132

測試距離 111.9 113.6 115.2 117.4 119.7 122.9 124.4 125.5 128.3 129.3 131.6

誤差 0.1 0.4 0.8 0.6 0.3 0.9 0.4 0.5 0.3 0.7 0.4

實際距離 134 136 138 140 142 144 146 148 150 160 170

測試距離 133 134.5 137.1 140.1 142.1 144.6 145.8 147.7 149.6 159.4 169.4

誤差 1 0.5 0.9 0.1 0.1 0.6 0.2 0.3 0.4 0.6 0.6

實際距離 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280

測試距離 179.7 189.4 199.3 211.8 219.6 230.2 240.2 250.5 260.4 270.6 279.9

誤差 0.3 0.6 0.7 1.8 0.4 0.2 0.2 0.5 0.4 0.6 0.1

實際距離 290 300 302 304 306 310 315

測試距離 290.4 301.4 303.2 304.2 308.8 307 307

aa誤差 0.4 0.4 1.2 0.2 2.2 3 8

當距離超過310cm時，一是精度下降，二是進入其測量盲區，不能識別，這是因為對于長距離的測量，需要低頻率的超聲波才可以。在測量時。我們采用邊長為80cm的正方形紙箱做障礙物，并且表面平整，測量效果比較好，上邊的數據是經過多次測量求的平均值。

圖6

圖7

把上述數據通過matlab讀入，來分析誤差，如圖7所示。

5.結語

通過大量的做實驗并求平均值，可以看出本系統工作穩定，誤差較小，成本低，性價比高，在距離超過100cm后測得的數據變化較大，上表中的數據都是通過多次測量求得平均值，誤差基本在1cm之內，精度可達3mm，基本滿足倒車雷達的要求。

參考文獻

[1]李朝青.單片機原理與接口技術[M].北京航空航天大學出版社，2008.

[2]郭天祥.51單片機C語言教程[M].電子工業出版社， 2012.