基于超聲波測距原理的倒車防撞預警器的設計

仲園，郁昊

（南京林業大學信息科學技術學院，江蘇 南京　210037）

基于超聲波測距原理的倒車防撞預警器的設計

仲園，郁昊

（南京林業大學信息科學技術學院，江蘇 南京210037）

介紹了以單片機STC12C5A60S2為微控制器的低成本、高精度、微型化的汽車倒車防撞預警系統。文章分析了倒車防撞系統的設計原理，較詳細的介紹了超聲波傳感器測距系統，結合超聲波測距的工作原理和系統構成，給出了軟件控制流程，并在數據處理中采用了溫度補償法修正測量精度，經過測試，系統工作穩定，測距范圍為30-500 cm，系統精度可達到2 mm。

STC12C5A60S2；超聲波；倒車預警；溫度補償

1　系統概述

汽車倒車防撞預警器的設計涉及到的內容較多，其中距離的準確測量與顯示報警是本文研究的重點。系統包括超聲波的發射與接收電路、溫度補償電路、液晶顯示電路與聲光報警電路，結構框圖如圖1所示。

圖1　系統設計總框圖Fig.1　Total block diagram of system design

2　硬件設計

汽車倒車防撞預警器是利用超聲波測距原理，在單片機的驅動下，先由超聲波發射探頭發出超聲波信號，并同步計時，當接收探頭收到反饋信號后會發送一個低電平給單片機，單片機停止計時并進行中斷數據處理，計算出實時距離交由LCD1602進行顯示，而與障礙物之間的不同距離則利用蜂鳴器不同頻率的聲音提示報警。硬件電路由單片機最小系統、超聲波發射與接收電路、溫度補償及聲光報警電路組成。

2.1主控芯片選擇及其小系統電路

主控芯片是一個系統設計的關鍵，文中選用了增強型8051內核的單片機STC12C5A60S2，運行速度比普通的8051 快8～12倍。

單片機工作需要穩定的時鐘頻率，最小系統是單片機正常工作的保證，最小系統包括復位電路及振蕩電路［4］，工作原理如圖2所示。

2.2超聲波發射和接收電路設計

圖2　單片機最小系統Fig.2　Single chip microcomputer minimum system

2.2.1超聲波測距基本原理介紹

我沒有答話，我真的對穎春說的這些東西有些煩了，但穎春仍然興致勃勃的，回到家，飯也不吃，覺也不睡，而是把我按在沙發上坐下說，老公，今晚我們好好合計一下我們下一步究竟該怎么走。我閉上眼睛說，你想怎么走就怎么走？我想睡覺了。穎春那一下突然跳了起來，她一把將我從沙發上拖了起來說，孫東西，你怎么這么沒長進呢？從小你父母送你讀書做什么？

超聲波是超出人類聽覺極限的一種機械波，振動頻率超過20 kHz。其波長短，繞射現象小，方向性好，因而被廣泛地用于物體距離的測量、厚度等方面［4］，且超聲波傳感器件的能量消耗緩慢有利于測距［5］。

超聲波傳感器工作的原理就是將物理信號（超聲波）與電信號互相轉換。當超聲波傳感器發射超聲波時，發射探頭將電信號轉化為超聲波發射出去，而當接收超聲波信號時，接收探頭則將超聲波轉化的電信號回送到處理器進行數據處理。

系統測距是由安裝在同一水平線上的一對超聲波發射與接收探頭對信號進行發送與接收。首先，由超聲波發射探頭向倒車方向發射信號并啟動定時器T0同步計時，信號在傳播過程中遇到障礙物后將被反射回來，當接收探頭收到反饋信號后就會給一個低電平到單片機，單片機立即停止計時［3］。定時器T0記錄下超聲波在發射點與障礙物之間往返傳播所用的時間t（s），也就可以計算出所需測量的距離。其工作時序圖如圖3所示。

圖3　超聲波時序圖Fig.3　Ultrasonic sequence diagram

設超聲波在空氣中的傳播速度為V，所以障礙物到發射探頭之間的距離S為

單片機內部定時器的計時實際上就是對機器周期T的計數，系統時鐘頻率fosc取12 MHz，設周期數值N［2］，則：T= 12/fosc=1 μs

所以：

2.2.2超聲波發射與接收電路

1）發射電路。超聲波發射電路是由超聲波探頭和發射驅動電路組成。先由單片機產生40 kHz的方波脈沖，經放大電路放大后驅動超聲波探頭，探頭將電信號轉換為機械波發射出去，所以發射驅動電路實際上就是一個信號放大器，文中選用了CD4069IC進行信號放大，超聲波發射電路原理如圖4所示，電路工作時，單片機P1.0口產生40 kHz的脈沖信號經信號調理電路，驅動超聲波探頭將超聲波發射出去。

2）接收電路。超聲波在介質中傳播的過程中是有衰減的，如果距離較遠，那么超聲波接收電路所接收到的信號就會比較微弱，因而需要對接收到的超聲波信號進行信號調理。據此設計了超聲波接收電路，電路主要依賴于集成電路CX20106A。CX20106A是紅外線檢波接收的專用芯片，紅外遙控常用的載波頻率38 kHz，與測距超聲波頻率40 kHz較為接近，因此用它作為超聲波檢測電路。接收電路工作時，將對收到的超聲波信號作放大、限幅、濾波、檢波、整形、比較等處理，信號處理結束給出一個低電平到單片機請求中斷，單片機收到信號停止計時并進行數據處理。CX20106A本身具有很高的抗干擾的能力，且靈敏度也很高，可以滿足系統設計需求。接收電路原理如圖4所示。

圖4　超聲波發射與接收電路原理Fig.4　Ultrasonic transmitting and receiving circuit principle

2.3溫度補償

超聲波在空氣中傳播，速度與空氣密度息息相關，空氣的密度值越高超聲波的傳播速度就越快［3］，而空氣的密度又和溫度有著緊密的聯系，表1為溫度與聲速的關系。

推理得出溫度與聲速的函數為：

式中K為實際環境溫度，由公式（1）和（2）可以得出實測距離S：

因此為了提高測距的精度，文中利用溫度補償的方式來減小溫度對聲速的影響。實驗中采用了數字IC DS18B20測量實際環境溫度，原理如圖5所示。

表1　溫度與聲速的關系Tab.1 The relationship between temperature and the speed of sound

圖5　DS18B20測溫電路Fig.5　DS18B20 temperature measuring circuit

DS18B20是達拉斯公司生產的數字型溫度變送器，測溫范圍從-55℃到+125℃，精度可達0.062 5℃，結構上采用單線接口方式，DS18B20在和微處理器連接時只需一條接線便可以實現雙向通訊，測量結果是以9-12位數字量方式進行串行傳數。

2.4顯示與聲光報警電路

預警系統采用字符型液晶LCD1602來顯示溫度和距離。1602是一種專門顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，其中1602代表顯示的內容為16X2（即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊）。圖7為LCD1602與單片機的連接圖。

報警電路是由蜂鳴器與發光二極管共同組成的，通過把測距范圍劃分為4個安全級別 （1級為＞=3米，2級為為2 米-3米，3級為1米到2米，4級為小于1米），再由單片機給定不同頻率使蜂鳴器發出報警音，頻率越高，級別越高，同時通過發光二極管進行光報警，具體為處于1級安全級別時指示燈均不亮，2級時綠燈亮，3級時黃燈亮，4級時紅燈亮，報警電路如圖7所示。

圖6　LCD1602顯示電路Fig.6　LCD1602 display circuit

圖7　聲光報警電路Fig.7　Sound and light alarm circuit

3　軟件設計

本文是以模塊化的思路進行程序的設計與編寫［6］，程序主要的功能是完成超聲波信號的發射與接收，并計算超聲波發射點和障礙物之間的距離s，進行安全級別判斷并作聲光報警和LCD實時顯示。程序分為主程序和外中斷程序兩部分。軟件流程如圖8。

圖8　系統主程序及外部中斷子程序流程圖Fig.8　System flow chart of main program and external interrupt subroutine

4　實驗數據及結果分析

超聲波信號的發射與接收是分開的，為了準確接收反射回波信號，文中要求發射探頭和接收探頭必須在同一條水平直線上。因測量的距離不同與發射擴散角導致的誤差以及信號在空氣中傳播過程中的衰減等問題，發射探頭和接收探頭之間的距離不能太遠，并且還應避免發射探頭對接收探頭接收信號時產生干擾，因此兩者也不可以靠得太近。據對相關資料查閱，兩探頭間距在5～8 cm最為合適［1］，經過實驗調試，最后將兩探頭的距離調整為6 cm，表2為實際測試過程中得到的實驗數據。

表2　實際測距的實驗數據Tab.2 The actual range of the experimental data

從表2的實驗數據可以看出，當測距距離在30～500 cm之間時，測距結果較為準確，誤差小于2%。

測量中產生的誤差主要是由溫度、探頭間距、余波及障礙物表面材料的不同介質等引起的［3］，文中針對溫度引起的誤差已經做了溫度補償措施，而兩探頭間的距離也經試驗反復調整到6 cm。實驗結果表明系統在30～500 cm之間可以實現準確測距，滿足駕駛人員的倒車需求。

5　結　論

本文采用STC12C5A60S2為主控芯片，結合CX20106A信號處理芯片及一些基本的放大電路組成倒車防撞預警系統，經實際測試可實現汽車倒車過程中的距離提示及聲光預警功能，效果比較理想，成本低廉，結構簡單，性能穩定。

［1］鞠永勝.基于嵌入式系統汽車倒車雷達的設計與實現［D］.濟南：山東大學，2010.

［2］劉洪恩.汽車倒車防撞超聲波雷達的設計［J］.儀表技術，2004，15（4）：55-60.

［3］陸冬妹.基于溫度補償的超聲波倒車測距系統的設計［J］.齊齊哈爾大學學報，2011，27（2）:26-29.

［4］霍孟友.單片機原理與應用 ［M］.北京：機械工業出版社，2004.

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Design of car reversing anti-collision warning device based on ultrasonic ranging principle

ZHONG Yuan，YU Hao
（College of Information Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

This paper introduces a reverse anti-collision system with a single chip microcomputer stc12c5A60S2 as control core，it has such characteristics of low cost，high precision and miniaturization.The paper analyzed the design principle of ultrasonic sensor ranging system，it′s introduced in detail in combination with the working principle of ultrasonic distance measurement and the system structure，drawing software control process，and the temperature compensation correction is adopted in data processing，the test system is stable，distance measuring range is 30-500 cm，the system precision can be up to 2 mm.

STC12C5A60S2；ultrasonic；reversing early-warning；temperature compensation

TN7

A

1674－6236（2016）05-0158-04

2015-03-31稿件編號：201503472

仲 園（1989—），女，江蘇沭陽人，碩士研究生。研究方向：計算機測控。