摘要：為降低汽車倒車時的碰撞事故，提出了一種基于單片機的超聲波測距倒車雷達的設(shè)計方案。該設(shè)計根據(jù)超聲波測距原理，采用AT89S 52單片機為控制核心，設(shè)計了超聲波測距倒車雷達，并對測量距離誤差進行了分析。測量距離為0．1～5．0m，其精度經(jīng)過校正后可達1 cm。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，有良好的測量精度和靈敏度。
關(guān)鍵詞：倒車雷達；單片機；超聲波；測距

    隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，公民汽車保有量大幅上升，同時也伴隨著出現(xiàn)了諸多問題，當汽車行駛在道路狹窄的城市，像泊車、掉頭這類簡單的事對司機朋友們來說也成為了巨大的考驗，由此造成了大量的經(jīng)濟損失和不必要的爭執(zhí)。面對如此窘境，基于超聲波測距的倒車雷達登上了歷史的舞臺并開始造福人類。倒車雷達是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示方式，告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和啟動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。系統(tǒng)采用基于單片機控制的倒車雷達系統(tǒng)，由單片機控制時間計數(shù)，計算超聲波自發(fā)射至接收的往返時間，利用超聲波在空氣中的傳輸速度，從而得到實測距離。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
1．1 系統(tǒng)設(shè)計思想
   倒車雷達系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，根據(jù)功能需要主要包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、報警電路以及顯示電路等，各信號線與控制線都接單片機，并在其指揮下統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，如圖1所示。駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后，系統(tǒng)自動啟動，單片機AT89S52產(chǎn)生短暫的40 kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波傳感器輸出，超聲波經(jīng)過障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進行放大和比較，單片機將此信號經(jīng)過處理后，計算得到距離值，并將其送入顯示模塊，當超過一定距離觸發(fā)報警電路，對駕駛員進行提示。

1．2 AT89S52單片機簡介
    AT89S52是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8 k字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，AT89S52擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。
    AT89S52具有以下標準功能：8 k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I／O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器／計數(shù)器，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器／計數(shù)器、串口中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。
1．3 超聲波傳感器原理與應(yīng)用
    超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。
    超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭反射、一個探頭接收)等。
    超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：
    1)工作頻率  工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
    2)工作溫度  由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。
    3)靈敏度  主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大。靈敏度高；反之，靈敏度低。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 超聲波發(fā)射電路
    單片機AT89S52編程產(chǎn)生40 kHz的方波，由P1．1口輸出，由于信號較弱，無法直接驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭，所以要再經(jīng)過放大電路，才能驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射驅(qū)動電路其實就是一個信號放大電路，本設(shè)計所選用的是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器LM386，超聲波發(fā)射電路如圖2所示。

2．2 超聲波接收電路
    超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路3部分，超聲波接收電路的設(shè)計如圖3所示。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收，必須進行波形變換。按照上面所討論的原理，單片機需要的只是第一個回波的時刻。

    為減少負電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用了一片LM324通用運算放大器，前三級為放大器設(shè)計，后一級為比較器設(shè)計。合理調(diào)節(jié)電位器R12，選擇比較基準電壓，可使測量更加準確和穩(wěn)定。
2．3 顯示與報警電路
    系統(tǒng)報警電路由一個三極管、一個蜂鳴器和一個電阻組成，其中R16的阻值為4．7 kΩ。當?shù)管嚴走_探測到的距離小于一定值時，觸發(fā)蜂鳴器報警?？刂品涿燮鞯木w管接單片機的P2．3引腳，其引腳電平為高時報警。其電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0．1 ms(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用12 MHz的晶振，機器周期為1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來回所用的時間)按下面公式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取20℃時的聲速為344．m／s則有：d=9
(CxTo)÷2=72xT0÷10000cm(其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值)。測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼的方式顯示，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量。

4 抗干擾設(shè)計
    由于倒車雷達的工作環(huán)境比較容易受外界的振動、沖擊、電磁等干擾，必須在硬件和軟件設(shè)計中考慮抗干擾的能力。本設(shè)計在電源的輸入端串聯(lián)了一個LC濾波器和扼流圈，防止干擾信號的串入；在硬件電路設(shè)計時增加了信號隔離、接地屏蔽；軟件設(shè)計時對脈沖信號進行了濾波。

5 結(jié)論
    文中設(shè)計的是基于AT89S52單片機的超聲波倒車雷達，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗干擾性能好，可應(yīng)用于汽車倒車等場合，提醒駕駛員倒車時有效地避開可能對倒車造成危害的障礙物和行人，從而有效避免由于倒車造成的汽車碰撞或擦傷經(jīng)濟損失和人身安全問題，具有較強的實用性。當然，要滿足更高的精度要求，還須進行適當改進，例如可增加溫度補償單元；在某些特殊場合的應(yīng)用中，還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。