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基于超声波的倒车雷达

摘要:

随着生活质量的提高，工作的需要，科技的发展，人们将越来越多的在生活中和工作中将汽车作为其日常的生活工具。给汽车安装倒车雷达系统，将使汽车安全性大大提高，以确保行车安全。

本文的内容是基于超声波测距的倒车防撞系统的设计，将超声波测距系统和AT89S52单片机结合于一体，设计出一种基于AT89S52单片机得倒车防撞系统。驾驶员能够通过系统的声音、显示，清楚车后障碍物的状况，并通过报警信号避免撞车，安全倒车。

关键词:

倒车雷达单片机超声波报警显示

1、技术指标：

1、系统设计要求

汽车倒车雷达预警系统由三个部分组成，分别为测距部分、控制系统部分和显示报警部分。本系统的主要功能是：

1.当汽车倒车时能实时显示、LED显示车与障碍物的距离值：XXX厘米。使驾驶员能随时看到车后的障碍物距离汽车的距离。

2.超声波探测距离不小于1米，当在探测的范围有障碍物时，蜂鸣器提示报警。

3.汽车与障碍物不同距离时，发出不同的警报声。距离越近蜂鸣器的报警频率也越大，当距离小于最小安全距离时，蜂鸣器不间断报警。

2、方案比较与论证:

2.1测距系统方案设计

目前汽车倒车雷达预警系统测距技术主要有激光、毫米波雷达、摄像系统、红外线、超声波等一些测距技术，不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处，但它们的主要目的都是通过前方返回的探测信息判断前方车辆和本车间的相对距离，并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，并且利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。由上述叙述可知，超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度，一般应用在汽车倒车系统上。

2.2控制系统方案设计

在控制系统的方案选择上，由于整个系统的设计涉及到数据处理，控制实时性等问题，选用基于微控制器的系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩小整个系统的体积。本系统是精密实时采集传输系统，需要微控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据。所以微控制器选用Atmel公司的AT89S52单片机的控制系统。

2.3显示报警系统方案设计

显示器应用极为广泛，是一种输出设备，综合课题的实际要求、成本以及考虑单片机的接口资源，本设计使用三位共阳数码管显示器，由于倒车时距离障碍物的距离本来就比较近，大概在3米以内，所以一个三位的LED数码管显示器就可以达到要求。

报警装置采用的是有源蜂鸣器，根据距离远近进行报警，以提示驾驶员。

3、各部分电路设计

3.1系统构建

按照系统设计要求，重点介绍硬件部分，硬件系统设计采用模块化思想。系统硬件结构分为三个主要模块：测距系统模块、控制系统模块和显示报警系统模块。其结构框图如图3-1所示。

at89s52最小系统

图3-1 汽车倒车雷达预警系统结构原理图

3.2各模块电路设计

3.2.1测距系统模块

（1）系统组成

本系统由单片机AT89S51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89S52,采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管驱动。

超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.5输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.5由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。

（2）超声波测距单片机系统

超声波测距单片机系统主要由：AT89S52单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由降压散K1，K2组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。

（3）超声波发射、接受电路

超声波发射如图3-1，接收电路如图3-2。超声波发射电路由电阻R5、三极管Q2、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声

波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由Q3、Q4组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C9、D6、D7及Q5组成。

40kHz的方波由AT89S52单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。

图3-1 超声波发射

该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S52的阿维菌素油膏P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生柴草热水器40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。

图3-2 接收电路

由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3-2

所示。接收到的信号加到Q3、Q4组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。

（4）显示电路

本系统采用三位一体L E D 数码管显示所测距离值，如图3-3。数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

(4)报警输出电路

报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R3、R4、三极管Q1、蜂鸣器LS组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图

4、理论分析和计算:

4.1超声波倒车雷达系统原理

超声波测距的原理：声波是一种能在气体液体和固体中传播的机械波，根据声波振动频率的范围，可以分为次声波，声波，超声波和特声波。一般人能够听到的声音的频率范围在20Hz-20KHz之间，频率低于20Hz为次声波，高于20KHz的波称为超声波，频率高于1000MHz称为特超声波。

单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波, 从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离

(2-1)

式(2-1)中的c为超声波在空气中传播的速度。

波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。其系统原理框图如图4.1所示。

发射管

数字显示

障碍物

发射驱动

单

片

机

功能键

接收处理

接收管

图4.1 超声波测距系统框图

单片机AT89S52发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。

五、仿真结果:

首先设定超声波测距报警值，用小车模拟汽车进入倒车状态，当汽车倒车时，通过超声波的发射接收检测出障碍物的距离，如果低于报警值则蜂鸣器发出报警信号，并随着距离的减小使得报警频率减小，直到不间断地报警。

通过超声波的发射接收回路，能够测量出汽车离障碍物的距离，并通过计算显示距离值在数码管上，提醒驾驶员障碍物与汽车的距离，从而达到安全驾驶的目的。

六、软件流程:

整体程序设计

软件总体设计思路：整个软件采用模块化设程序、定时中断子程序、外部中断子程序,显示子程序等模块组成。软件设计的主要思路是发射、接收处理、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用循环的方式。当按下控制键后，循环执行主程序中的报警检测程序、当有回波时外部中断子程序向CPU申请中断、CPU执行外部中断子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果决定显示程序的内容以及判断是否调用声音报警程序。当测得距离小于预置距离时，声音报警程序被调用。系统的主流程图如图4.1所示。

图 4.1 主程序流程图

本软件系统的工作过程如下：由主程序初始化单片机，调用发射程序让发射器发射超声波，然后主程序进入报警扫描，如果有系统申请中断，则进入中断程

7、结论:

本文主要讲述了倒车雷达，即超声波测距仪的原理和设计方法，设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，并以数字的形式显示测量距离，在距离小于80cm时发出报警。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机控制超声波发射与接收模块进行信号的发射与接收。显示电路采用LED数码管进行数字显示。

参考资料

[1] 盛春明带馅面条.超声波测距仪[J].制作天地，2010

[2] 楼然苗，李光飞.《单片机课程设计指导》[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007语音调度系统