基于單片機的超聲波測距汽車倒車防撞系統設計

趙閱涵

摘 要：隨著我國的汽車數量正逐年增加，倒車時的防撞問題引起廣泛重視。為此設計了以單片機為核心，利用超聲波實現無接觸測距的倒車防撞警報系統。

關鍵詞：超聲波 測量距離 數碼顯示 報警 自動剎車

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2019）01-0-01

一、緒論

1.倒車雷達設計的意義與現狀

倒車雷達是一種輔助車主泊車或者倒車的裝置，啟動倒車雷達系統時，它能通過發射和接收超聲波來探測周圍障礙物的情況，并以聲音或者影像告知車主，其利用的原理是超聲波非接觸測距技術。

本汽車防撞裝置包含有單片機控制電路、超聲波測距傳感器、蜂鳴器報警電路及數碼管顯示部件等，裝置將各部件有機地結合起來，實現超聲波測距及蜂鳴器報警提示的功能。

2.電機工作原理

本次設計以STC89C52單片機為核心，設計了超聲波倒車防撞系統。本系統實現了對倒車雷達測距及顯示報警的要求，通過發射超聲波，碰到障礙物返回后，接收超聲波，計時往返時間，并計算出距離顯示結果，當達到危險距離時報警且自動剎車。

二、數字超聲波倒車防撞系統的設計

1.系統設計要求

本系統的主要功能是：當車掛入倒檔后，超聲波發射電路開始連續不斷的發出超聲波，遇到障礙物后反射，超聲波接收電路接收，控制電路通過相應的計算，可以計算出相應的距離，并送至顯示電路進行顯示。如果所測距離小于預先設置好的報警距離，則報警電路就會報警并且使制動系統停止工作完成自動剎車的功能。

具體指標為：警報觸發最小距離為50cm；實時測距誤差控制為5%-10%；工作電壓5v；超聲波產生的信號強度為40Khz；測距范圍為2-500cm；6 超聲波的發射頻率為1s測量2-3次。

2.系統設計架構

按照系統所需功能，系統硬件結構可以劃分為：測距系統、控制系統、鍵盤電路、顯示和語音報警系統以及制動系統。

其中，測距系統由超聲波發射模塊和超聲波接收模塊構成；控制系統設計主要對STC89C52單片機系統進行設計；顯示報警系統設計要對數據通訊、數據轉換、蜂鳴器和動態態顯示電路進行設計；鍵盤電路主要用于控制報警系統的閥值；制動系統主要對小車電動機的控制。

三、系統模塊選用

1.超聲波模塊選用

超聲波傳感器：本系統的目標測量范圍為2cm-500cm，精度要求3mm，響應時間為2s。根據以上指標選用HC-SR04測距模塊。

HC-SR04測距模塊可提供2cm-600cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3mm，模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路。

超聲波的測距原理及實現：本設計的超聲波測距是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發射的超聲波反射信號，根據超聲波發出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。

2.單片機模塊選用

單片機的選用：單片機是系統控制的核心，本設計選擇STC89C52作為本系統的控制部件。

STC89C52單片機最小系統：89C51單片機，由于片內已經自帶有了程序存儲器，所以只要單片機外接時鐘電路和復位電路就可以組成了單片機的最小系統了。

3.顯示報警電路的設計

顯示報警單元是經過超聲波發射接收電路及單片機STC89C52處理后把信號轉化為人為可以知覺的數字顯示和報警響應。顯示報警電路由顯示和報警兩部分電路組成，主要實現在出現緊急情況下的顯示報警功能，以此提醒駕駛員。

4.報警電路的設計

報警部分采用一個蜂鳴器進行報警，利用單片機控制輸出一個一定頻率的信號。由于蜂鳴器的工作電流比較大，以至于單片機的I/O口無法直接驅動，所以用三極管來放大電流。

5.制動電路

本設計的制動電路采用了L298電機驅動模塊和兩個直流電機來完成，兩個直流電機分別控制兩個輪子的轉動。當系統在正常情況下運行時，電機驅動電路正常運行，當超聲波測距測到的距離小于設置距離時，單片機發送指令使電機停止運行。這樣就達到了自動剎車的功能。

四、系統軟件設計

本設計的軟件設計利用keil軟件，采用C語言編寫。與同樣具有單片機編寫能力的匯編語言相比，C語言在編寫程序時，更加簡單、容易理解而且移植性特別強，可以靈活運用，使得本設計的軟件設計可以直接利用現有的模塊程序。

1.主程序設計

本設計的程序設計主要是利用單片機eeprom的存儲功能，系統初始化后，將預先設置好的最小報警距離參數存進eeprom中，再利用超聲波測距模塊發送超聲波，計算出最終的距離，并且與預先設置好的最小報警距離作比較。如果小于報警距離，蜂鳴器發出報警聲，并且同時向電機驅動電路發送剎停信號，產生自動剎車；如果距離合適就顯示在數碼管上，如此反復。

五、系統測試

本設計在設計時，其范圍為2cm到500cm。根據以上測試，得出該超聲波測距的誤差范圍在±4cm之內，當距離較小時，其測量值較準確；隨著測量距離的增大，測量的準確性降低，誤差越來越大。

造成這些誤差的可能應該為以下幾點：實驗室內障礙物較多：在焊接時可能出現漏洞：超聲波本身衰減：不同溫度下超聲波傳播速度不同。

六、結論

本文主要講述了超聲波測距儀的原理和設計方法，設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產生超聲波，實現超聲波的發送與接收，從而實現利用超聲波方法測量物體間的距離，并以數字的形式顯示測量距離，在距離小于20cm時發出報警。超聲波測距的原理是利用超聲波的發射和接收，根據超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發射電路和超聲波接收電路三部分。單片機采用LST89C52，采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機控制超聲波發射與接收模塊進行信號的發射。

參考文獻

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