基于STM32和超聲波測距的倒車雷達預警系統設計*

韓　韌， 金永威， 王　強

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.河南大學 軟件學院，河南 開封 475000)

設計與制造

基于STM32和超聲波測距的倒車雷達預警系統設計*

韓韌1， 金永威1， 王強2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.河南大學 軟件學院，河南 開封 475000)

摘要:針對目前大多數經濟實用型汽車、貨車等車輛沒有裝備倒車雷達的現狀，設計出一種成本低、結構簡單、可靠性高的倒車雷達預警系統。硬件設計主要包括超聲波測距電路、單片機控制電路、LCD顯示電路、報警電路等；軟件設計主要包括超聲波測距原理介紹和系統軟件工作流程等。汽車倒車時，該系統能夠檢測出汽車后面障礙物的距離，并且在LCD上實時顯示汽車與障礙物之間的距離；當障礙物與車之間的距離超出預先設定的報警距離時，該系統會發出聲光報警，提高安全性。實驗結果表明：該系統在20～500 cm范圍內可實現準確測距，最大平均誤差不超過3 %，能夠在預設的報警距離處及時報警，達到預期目的，具有經濟實用、操作簡單、性能好等優點。

關鍵詞:超聲波測距； 倒車雷達； 單片機； 液晶顯示； 聲光報警

0引言

隨著我國汽車工業的快速發展，人們生活水平的不斷提高，越來越多的家庭擁有了自己的汽車。然而汽車數量的逐漸增加，給人們帶來便利的同時，由于倒車引發的事故也越來越多[1]，使得人們越來越擔心倒車的安全問題，為此，在汽車上安裝倒車雷達系統日益受到重視。

目前生產的大多數中高檔汽車基本都裝配有倒車雷達系統，然而出于對價格的考慮，很多經濟實用型汽車、貨車等車輛還沒有裝配倒車雷達系統[2，3]。針對上述情況，本文設計出一種成本低、操作簡單、性能好的倒車雷達預警系統，當汽車需要倒車時，該系統能夠檢測出汽車后面障礙物的距離，并且實時顯示該距離，一旦汽車與障礙物的距離小于預先設定的報警距離時，該系統會發出聲光報警。該系統克服了傳統倒車雷達系統成本高、結構復雜等問題，使得經濟實用型汽車、貨車等車輛可以安裝上經濟實用的倒車雷達系統，提高倒車的安全性。

1系統總體設計

本文設計了一種性價比較高的倒車雷達預警系統。其設計思路是當汽車啟動倒檔時，倒車雷達預警系統也被開啟，通過該系統的超聲波測距模塊實時測量汽車與障礙物之間的距離，為了使測量結果更加精確，系統加入了溫度補償電路，最后在LCD1602顯示屏上顯示距離障礙物的距離，當汽車距離障礙物小于預設的報警距離時，系統會發出聲光報警，提醒駕駛員注意安全。

實現以上功能的系統結構框圖如圖1所示。

圖1　系統結構框圖Fig 1　Block diagram of system structure

2系統硬件設計

2.1單片機控制電路模塊

本系統單片機選用STM32F103C8T6，是一種基于ARM32位的Cortex—M3內核的單片機，工作電壓范圍為2.0～3.6V，CPU工作頻率最高可達72MHz，具有速度快、成本低、性價比高等優點[4]。單片機控制系統電路如圖2所示。其中圖2(a)為單片機接口電路模塊:單片機是系統的控制中心，控制著其它模塊的工作；圖2(b)是溫度測量電路模塊:由于超聲波傳播速度容易受到溫度的影響，其傳播速度v與環境溫度T的關系式為v=331.4+0.607 T(m/s)，為了獲得較為準確的聲速，該系統引入主要由數字溫度傳感器DS18B20組成的溫度補償電路[5]對環境溫度進行測量，以提高測量精度，減少誤差。鍵電路模塊:主要用于對報警距離的設定，其中按鍵S1表示“加一”、按鍵S2表示“減一”、按鍵S3表示“確定”按鍵、按鍵S4用于報警系統的清零。電源電路模塊:采用芯片LM7805將12V電壓轉換為5V電壓、采用芯片AMS1117將5V電壓轉換成3.3V電壓。

圖2　單片機控制系統電路Fig 2　Circuit of MCU control system

2.2超聲波測距電路模塊

超聲波測距電路模塊包括超聲波發射和接收電路模塊。其中超聲波發射電路模塊使用超聲波發射探頭CSB40T，利用LM555時基電路振蕩產生40kHz的超聲波，由LM555第3引腳輸出端驅動超聲波探頭，使之發射出超聲波信號[6]，電路如圖3所示。為了調節信號頻率，電路設計中加入了可調電阻Rp，可以通過調節電阻Rp的阻值改變振蕩頻率，使之與超聲波探頭40kHz的固有頻率保持一致。

圖3　超聲波發射電路Fig 3　Ultrasonic transmitter circuit

超聲波接收電路模塊需要完成的任務是將獲取的信號進行處理，給單片機以提示，證明已經接收到回波信號，從而能夠確認超聲波在空氣中所傳播的時間。該模塊選用紅外接收芯片CX20106和超聲波接收探頭CSB40R等構成超聲波接收電路模塊[7]，電路如圖4所示。

圖4　超聲波接收電路Fig 4　Ultrasonic receiver circuit

2.3顯示電路模塊

顯示模塊主要使用LCD1602液晶顯示模塊，LCD1602是專門用來顯示字母、數字、符號的液晶顯示模塊，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點。

2.4報警電路模塊

聲光報警電路由一個蜂鳴器、一個發光二極管和其他外圍電路組成，電路如圖6所示。開始倒車時，駕駛員可以根據實際路況對報警距離進行設定，當汽車與障礙物之間的距離小于預設的距離值時，單片機PA8口將輸出低電平，此時報警電路被導通，蜂鳴器和發光二極管同時出現聲光報警提醒駕駛員，防止倒車事故發生。

圖5　聲光報警電路Fig 5　Circuit of audible and visual alarm

3系統軟件設計

3.1超聲波測距原理

超聲波是指頻率高于20kHz的聲波。常用的測距方法主要有:超聲波幅值檢測法、相位檢測法以及渡越時間檢測法[8]。其中超聲波幅值檢測法容易受外界環境的影響，從而無法測得精確的距離；超聲波相位檢測法的精確度比較高，但是檢測的距離范圍較小。因此，本系統采用超聲波渡越時間檢測法，此方法具有實現起來簡單、成本低、可應用的距離范圍大等優點。

本系統的超聲波渡越時間檢測法工作原理[9]是:從單片機發出一串脈沖方波信號開始計數，經過超聲波發射器發出超聲波，超聲波傳播到障礙物表面后反射回到超聲波接收端，回波信號被單片機檢測到時停止計數[10]，可以得到超聲波在空氣中傳播的往返時間Δt。若單片機的機器周期為T0，那么汽車距離障礙物的距離D表示為

式中T0為單片機的機器周期，N為單片機計數的脈沖數量，V為超聲波的傳播速度。

3.2系統主程序設計

系統的工作流程大致如下:先對系統初始化設置；然后發射超聲波，同時打開計數器開始計數，當接收到超聲波時，開外部中斷并且關閉計數器；溫度測量模塊測出環境溫度，根據測得的溫度值計算出超聲波的傳播速度，再計算出汽車與障礙物之間的距離；最后設置報警距離，當汽車與障礙物之間的距離小于報警距離時，該系統會發出聲光報警提醒駕駛員，以確保倒車安全。具體的系統主程序流程圖設計如圖6所示。

圖6　系統主程序流程圖Fig 6　Main program flow chart of system

3.3系統中斷服務程序設計

本系統對超聲波往返時間的計數是通過單片機的PB9端口的外部中斷功能實現。當啟動倒車時，該倒車雷達預警系統進入定時器中斷服務子程序，即通過單片機的PB10端口輸出頻率為40kHz的脈沖方波信號，同時打開定時器開始計時計數。一旦超聲波接收電路檢測到回波信號時，便觸發PB9端口產生外部中斷信號，并且將外部中斷信號送給單片機，單片機即可進入外部中斷服務程序，同時關閉定時器。其定時器中斷服務子程序流程圖如圖7(a)所示、外部中斷服務子程序流程圖如圖7(b)所示。

圖7　中斷服務流程圖Fig 7　Flow chart of interrupt service

4實驗與結果分析

本文提出的倒車雷達預警系統的基礎是超聲波測距，測距精度直接決定了系統的性能。因此,本文在一個停車場對該系統進行實驗測試，并對實驗結果進行分析。

系統設計考慮到了氣溫隨時間變化，對測距準確度的影響，因此，實驗固定汽車與障礙物之間的距離為280cm，選擇一天中的3個時間點，對應不同的氣溫，分別對測距準確度進行測試。如表1所示。

表1　有溫度補償與無溫度補償測試值對比

在倒車中，車輛與障礙物的位置是在變化的，因此系統需要在不同位置上具有良好的測距精度。本組實驗，測試時間為中午12時，溫度為13 ℃，測試汽車在不同位置處實驗測量距離的結果。實驗結果如表2所示，在不同的距離上，系統測距與實際距離的誤差并沒有明顯的變化，最大平均誤差不超過3%，在各距離上達到了設計目標。

表2　距離測量值與實際值對比

系統的報警機制是提醒駕駛員確保倒車安全的重要保證，為了滿足不同場景的需求，系統的報警距離可以進行設置。本組實驗測試系統的報警靈敏度。實驗選擇200,300,400cm三個距離，并且對于每一個距離，分別設置50,100,150cm三個報警距離進行實驗測試，實驗結果如表3所示，系統能夠在預設的報警距離處及時觸發報警，提醒駕駛員注意安全，達到指示倒車的目的。

5結束語

本文通過采用單片機控制和超聲波測距，設計出一種經濟實用、結構簡單和可靠性高的倒車雷達預警系統。可以實時顯示汽車與障礙物之間的距離，并且在報警距離內發出聲光報警。實驗結果表明:在不同的距離上，最大平均誤差不超過3 %，并且能夠在預設的報警距離處及時發出聲光報警，提醒駕駛員，達到指示倒車的目的。

表3　不同報警距離測試

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DesignofcarreversingradarwarningsystembasedonSTM32andultrasonicwaveranging*

HANRen1,JINYong-wei1,WANGQiang2

(1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.SchoolofSoftware,HenanUniversity,Kaifeng475000,China)

Abstract:Aiming at status that most compact cars and trucks are lack of reversing radar due to cost constraints,design a low-cost simple structure reversing radar warning system with high reliability.Hardware design consists of ultrasonic wave distance measurement circuit,LCD display circuit,alarm circuit.Software design consists of introduction of ultrasonic ranging principle and workflow of software system.In the process of reversing,the system can detect distance between car and obstacle and display distance on LCD in real time.Once the distance exceeds the preset warning threshold,the audible and visual alarm will be triggered to warn the driver.Experimental results show that the proposed system can achieve correct ranging value of the distance and the maximum average error is not exceed 3 %,the system is also characterized by lower energy consumption and well performance.

Key words:ultrasonic distance measurement; reversing radar; MCU; LCD; audible and visual alarm

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0063—04

收稿日期：2016—02—24

*基金項目：河南省教育廳科學技術研究重點項目(14B520022)；河南省科技發展計劃資助項目(142102210396)

中圖分類號:TP 277

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0063—04

作者簡介:

韓韌(1980-)，男，湖北武漢人，博士，講師，主要研究方向為無線網絡、認知無線電網絡、嵌入式系統應用。

王強，通訊作者，E—mail:wangqiang197909@163.com。