單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)研究

孫世菊

摘 要：倒車雷達系統(tǒng)是保障汽車倒車安全的重要裝置。在汽車上，用單片機控制的超聲波測距儀可以有效的向駕駛員反應(yīng)汽車周圍的障礙物分布狀況，從而幫助駕駛員安全地進行倒車操作。文章研究了單片機控制的超聲波

測距儀汽車倒車系統(tǒng)的相關(guān)方面。關(guān)鍵詞：單片機；超聲波；測距儀；倒車系統(tǒng)

隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的研發(fā)技術(shù)越來越成熟，汽車的購買數(shù)量也越來越多，對于汽車駕駛安全的保障愈加重要。在汽車安全設(shè)計中，對于汽車倒車安全的保障一直是重要的研究專題。基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)，能夠幫助駕駛員全面的掌握倒車時汽車周圍的環(huán)境狀況，對汽車倒車安全的保障有重要意義。

1 超聲波測距的工作原理和方式

1.1 超聲波測距的工作原理

人耳可識別的聲音頻率是由范圍的，當(dāng)聲波頻率在 20Hz-20000Hz之間時，人耳能夠識別該聲波；而如果聲波頻率低于 20Hz，被稱為低頻聲波，人耳無法識別；如果聲波頻率超過 20000Hz，被稱為超聲波，人耳同樣無法識別，只有少數(shù)生物可以識別。超聲波的波長較短，繞射很小，而且能夠定向傳播。超聲波的傳播方式與其他聲波不同，呈直線傳播，而且其繞射能力隨聲波頻率的增高而降低，反射能力雖聲波頻率的增高而增強，科研人員根據(jù)這一特性，研究出了超聲波傳感器用于距離的測量。在利用超聲波進行測距時，通過超聲波發(fā)射器向某一特定方向發(fā)射超聲波，由于超聲波沿直線傳播，具有很強的反射能力，在傳播過程中，如果超聲波遇到障礙物，就會發(fā)生反射，然后通過超聲波接收器接受反射回來的超聲波，根據(jù)超聲波發(fā)射時間和接收時間，就能夠計算出超聲波到達障礙物處又反射回來的時間 t。最后測量出此時周遭環(huán)境的溫度，修正超聲波的傳播速度 v，根據(jù) s=vt/2，就可以測量出超聲波發(fā)射位置與障礙物兩者之間的距離。

1.2 超聲波測距的工作方式

利用超聲波進行測距，需要通過傳感器接收超聲波，然后根據(jù)接收時間和發(fā)射時間，計算出超聲波的傳播時間，進而得到超聲波發(fā)射處與障礙物之間的距離。目前，超聲波測距的工作方式主要有三種。其一，相位檢測法，這種檢測方法具有很高的精度，但精度提高的代價是大大縮短檢測的范圍。其二，聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法方位大，精度也不低，但受反射波的影響很大。其三，渡越時間檢測法，這種檢測方法的工作方式相對而言比較簡單，無論是硬件設(shè)備的操作還是軟件程序的應(yīng)用設(shè)計，難度都不大，對于工作條件的要求低。渡越時間檢測法的工作原理是，檢測超聲波經(jīng)由發(fā)射傳感器發(fā)射，而后通過空氣媒介傳播到接受傳感器的時間，然后再進行距離的計算。在渡越時間檢測法中，所測量的時間即為渡越時間。基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)應(yīng)用渡越時間檢測法最為合適。汽車在倒車過程中需要不斷移動，但移動速度一般并不快，相對于超聲波的傳播速度可以忽略不計。在汽車上安裝超聲波的發(fā)射和接收傳感器，然后利用超聲波定向傳播以及反射性強的特點，根據(jù)超聲波的渡越時間和此時的超聲波傳播速度計算出障礙物到汽車的距離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)由單片機負責(zé)控制超聲波的發(fā)送和接收。第一，倒車系統(tǒng)必須具備一定距離內(nèi)無接觸的測距能力，為了提高測距的精準(zhǔn)度，還要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，所以需要系統(tǒng)能夠?qū)⑵囁幁h(huán)境的溫度測量出來，然后再根據(jù)溫度確定此時超聲波的傳播速度。第二，倒車系統(tǒng)通過單片機獲取超聲波的速度信息以及傳播時間，然后計算出障礙物到汽車的距離。最后，單片機根據(jù)得到的信息，通過數(shù)據(jù)的處理，使之轉(zhuǎn)化為其他類型的信息，在顯示器上顯示，或者通過一定元器件進行報警，從而達到幫助駕駛員掌握周遭狀況的作用，提醒駕駛員及時作出應(yīng)對。由于傳感器的性能因素，基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)可以測量出汽車周圍大約 3米內(nèi)的障礙物距離，其數(shù)值會在 LCD中反應(yīng)給駕駛員。系統(tǒng)中設(shè)計有溫度檢測裝置，能夠?qū)崟r檢測汽車周遭的環(huán)境溫度，從而修正超聲波的傳播速度，更加精準(zhǔn)的測量出障礙物的距離，大大提高了倒車系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。此外，在汽車與障礙物的距離過近時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，具體表現(xiàn)為蜂鳴器發(fā)聲、數(shù)據(jù)顯示屏亮度閃動，從而引起駕駛員的警惕。蜂鳴器的發(fā)聲頻率會隨著距離的減小逐漸增加，實時提醒駕駛員注意行車安全。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)，其系統(tǒng)軟件需要根據(jù)單片機特性進行針對性設(shè)計，一般軟件系統(tǒng)應(yīng)用模塊化設(shè)計，將系統(tǒng)分為主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等多個模塊。基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)軟件，應(yīng)當(dāng)具備以下幾個功能。第一，控制超聲波的發(fā)射和接受。汽車在倒車過程中有時需要不斷轉(zhuǎn)向，因此，汽車上超聲波的發(fā)射和接受也會隨著改變，此時需要系統(tǒng)軟件對汽車上不同位置超聲波的發(fā)射和接收傳感器進行調(diào)控，根據(jù)不同的情況，控制不同的傳感器進行超聲波的發(fā)射和接收。第二，計算倒車碰撞的安全距離。汽車在倒車過程中雖然速度一般比較慢，但汽車的停車不可能在瞬間完成，在停車的過程中汽車會繼續(xù)沿原來方向行駛一段距離。因此，基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)軟件應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)汽車的行駛速度，計算出汽車倒車的安全距離，然后在此基礎(chǔ)上延長 1米設(shè)置報警距離，從而保證汽車倒車的安全。第三，測出超聲波的傳播時間，并計算障礙物到汽車的距離。這是基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車系統(tǒng)軟件最基礎(chǔ)的功能，不僅要能夠計算出障礙物到汽車的距離，還要能夠選擇其中最近的障礙物，將其距離信息反饋給駕駛員。

基于單片機控制的超聲波測距儀汽車倒車

系統(tǒng)軟件的設(shè)計，從功能方面來看，可以劃分為預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等多個模塊的軟件。在系統(tǒng)軟件運行過程中，通過主程序進行鍵控循環(huán)，在固定的運行時間內(nèi)根據(jù)各模塊的功能，有序執(zhí)行模塊指令，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，最后根據(jù)測量的信息，對數(shù)據(jù)進行處理，在顯示裝置上反應(yīng)給駕駛員，并根據(jù)具體的情況，判斷是否發(fā)出報警以及報警的類型。系統(tǒng)軟件主程序在運行過程中，需要首先對系統(tǒng)環(huán)境進行初始化，調(diào)整定時器的工作模式，而后再調(diào)用傳感器，進行超聲波的發(fā)射和接收，最終測量出距離信息。計數(shù)器可以采用 12MHz的晶振，這樣計數(shù)器每計一個數(shù)的時間為 1s，在主程序判斷超聲波信號接收成功時，就可以通過計算得到超聲波傳播時間，然后通過溫度傳感器得到的溫度數(shù)值，對此時超聲波的傳播速度進行修正，最終計算出障礙物到汽車的距離。

基于單片機控制的超聲波測距汽車倒車系

統(tǒng)，通過程序與硬件的模塊化設(shè)計，將軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)有機結(jié)合，能夠在保證測量精度的基礎(chǔ)上，進行無接觸測距，并根據(jù)實際情況對駕駛員發(fā)出提醒，幫助駕駛員全面了解汽車倒車時周遭的情況，從而保障汽車倒車的安全。

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