基于超聲波測距的汽車倒車防撞報警系統設計

王虎 楊啟正 李約朋

湖南交通工程學院 湖南省衡陽市 421009

1 引言

隨著我國經濟的高速發展，汽車的數量大幅增加，交通運輸業日益興旺，但交通事故也日趨嚴重，造成了大量人員傷亡與經濟損失，因此汽車安全駕駛系統的研究成為當下汽車企業關注的焦點，其中汽車倒車雷達系統的研究與開發更為迫切。目前市場上汽車倒車雷達系統種類較多，但大多價格昂貴，因此設計一種性價比較高的倒車防撞報警系統非常迫切和重要。本文以AT89S51單片機作為控制器，采用超聲波測距的原理，設計了一種整體結構簡單、性價比合理、可靠性較高的汽車倒車防撞報警系統。本系統采用模塊化設計，具有較高的靈活性和擴展性，主要由微控制器模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊、液晶顯示器模塊等構成。

2 汽車倒車防撞報警系統整體設計

本文設計了一種以AT89S51單片機作為控制器，超聲波傳感器作為測量元件的汽車倒車防撞報警系統。當駕駛員將汽車檔位切換到倒車檔時，倒車防撞報警系統也同時開啟。本系統能夠精確測量汽車尾部與障礙物的距離，并將測量的距離在LCD上進行實時顯示；當汽車尾部與障礙物的距離小于設定的危險距離時，聲光報警系統將啟動，提高安全性。為了提高超聲波測距的精度，本系統在基本電路的基礎上加入了溫度補償電路。系統整體結構框圖如圖1所示。

3 系統部分硬件電路設計

3.1 微控制器模塊電路設計

單片機最小系統如圖2所示。

3.2 超聲波測距模塊電路設計

超聲波指的是超過人類聽覺所能分別的最大頻率20KHz及以上的聲波。利用超聲波進行測距的方法主要有渡越時間測量法、相位測量法及聲波幅值檢測法等。本系統采用結構簡單、測量精度較高、測量穩定性好及測量范圍較廣的渡越時間檢測法。該測量方法相對于聲波幅值檢測法受外部環境的影響較小，相對于相位檢測法測量范圍較廣。超聲波渡越時間檢測法的實現過程：首先由單片機控制系統產生矩形脈沖信號時開始計數，同時超聲波發射器產生超聲波，當聲波遇到障礙物時會發生反射，再通過超聲波接收器接收，當微控制器接收到回波信號時停止計數。汽車與障礙物的距離計算公式如下：

式中：D-測量距離；V-聲波的傳播速度；△t-超聲波往返的時間；N-微控制器計數的脈沖數量；T0-單片機的機器周期。

超聲波測距模塊主要由超聲波發送電路和超聲波接收電路兩部分構成。超聲波發射模塊電路的超聲波探頭選用CSB40T，利用LM555及外圍電路構成多諧振蕩器電路，通過調節電阻Rp的阻值，使振蕩頻率與超聲波探頭的固有頻率（40KHz）保持一致，由LM555第3腳輸出端驅動CSB40T，從而使超聲波探頭發射超聲波信號。超聲波發射模塊電路如圖3所示。

超聲波接收模塊電路主要是用于超聲波回波信號的接收與處理，為了保證回波信號的正常接收，本系統選用與發射探頭對應型號的接收探頭CSB40R和紅外線/超聲波接收專用芯片CX20106A等構成超聲波接收電路。超聲波接收模塊電路如圖4所示。

4 系統軟件設計

圖1 汽車倒車防撞報警系統結構框圖

圖2 單片機最小系統

圖3 超聲波發射模塊電路

圖4 超聲波接收模塊電路圖

汽車倒車防撞報警系統軟件設計部分主要由：主程序、超聲波信號發射子程序、回波信號接收中斷子程序、環境溫度測量子程序、測量距離修正子程序、LCD顯示子程序、聲光報警子程序等構成。本系統工作流程：當駕駛員切換到倒車檔時，汽車倒車防撞報警系統啟動，系統進行初始化處理；然后超聲波探頭開始發射超聲波，單片機的內部定時計數器開始計數，當超聲波接收探頭接收到回波信號時，定時計數器停止計數并且開外部中斷；溫度傳感器實時檢測外部環境溫度，并根據測量得到的溫度確定對應的聲波傳播速度，通過超聲波測距公式可計算出汽車與障礙物的距離；當汽車與障礙物的距離小于設定的危險距離時，聲光報警器啟動。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 結束語

本系統采用AT89S51單片機作為微控制器，結合超聲波測距，設計出了一種結構簡單、性能穩定、測量精度較高的汽車倒車防撞報警系統。該系統能夠實時顯示汽車與障礙物之間的距離，并且增加了溫度補償電路，提高了測量精度，當測量距離小于設定的報警距離時啟動聲光報警。通過對本系統進行仿真測試，達到了預期目標。