： 設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測(cè)距原理的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，給出了聲光報(bào)警模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊的具體實(shí)施方案。此外，設(shè)計(jì)中還包括溫度自動(dòng)校正功能，以減小由于聲速受到溫度影響而引入的測(cè)量誤差。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，有效測(cè)距范圍在0.05~5.7 m, 5 m以內(nèi)的最大誤差不超過0.01 m.

倒車?yán)走_(dá)全稱叫"倒車防撞雷達(dá)",也叫"泊車輔助裝置",是汽車泊車或者倒車時(shí)的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成。能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)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，提高駕駛的安全性。

在現(xiàn)代社會(huì)中，隨著汽車的增多和停車位日趨緊張，泊車成為很多車主頭痛的問題，這時(shí)倒車?yán)走_(dá)就成了汽車的好助手。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況。本文以ATmega16作為核心處理器，采用超聲波原理測(cè)量出障礙物距車尾的垂直距離。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理，工作穩(wěn)定，性能良好，精度高，實(shí)時(shí)檢測(cè)速度快，在未來市場(chǎng)上將有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2 .這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

測(cè)距的公式表示為：L=C×T 式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差（T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半）。

超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Atmega16 AVR為控制核心，外圍電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度采集模塊、聲光報(bào)警電路、液晶顯示電路、接口電路及電源電路等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 核心控制模塊

Atmega16是Atmel公司近幾年才推向市場(chǎng)的新一代高性能、低功耗、高集成化的8位CMOS微控制器。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

ATmega16 有如下特點(diǎn)：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW），512 字節(jié)EEPROM,1K 字節(jié)SRAM,32 個(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART,有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（TQFP 封裝） 的ADC ,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。其主控電路如圖2所示。

2.2 超聲波發(fā)射模塊

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3所示。發(fā)射電路主要由施密特反向觸發(fā)器CD40106和超聲波發(fā)射換能器TCT40-10-T構(gòu)成，PD6的端口輸出兩路40 kHz脈沖信號(hào)，一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極；另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將脈沖信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力，所得到的波形比其他方式效果更理想。

2.3 超聲波接收模塊

超聲波接收模塊的作用是將反射的超聲波轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大處理成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，然后輸出給下一級(jí)電路。集成電路CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，它由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器和整型電路組成。如圖4所示，超聲波接收探頭TCT40-10-R將接收到的反射超聲波轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)，送入CX20106的1腳，CX20106的總放大增益約為80 dB,實(shí)際增益由2腳外接電阻R2和電容C1來決定，電阻R2越小或電容C1越大，增益越高，但取值過大易造成頻率響應(yīng)變差，本系統(tǒng)取電容為1 μF.C2為外接峰值檢波電容，C13為外接積分電容，調(diào)整RP電位器使內(nèi)置帶通濾波器的中心頻率為40 kHz,當(dāng)接收到與濾波器中心頻率相符的信號(hào)時(shí)，其7腳輸出一個(gè)低電平直接接到ATmega16的INT0上，以觸發(fā)中斷。

2.4 溫度檢測(cè)模塊

為了提高本方案精度，引入了溫度采集并在軟件算法中增加了溫度自動(dòng)校正功能。溫度傳感器采用了DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20,其溫度測(cè)量范圍為-55 ℃~+125 ℃，可編程為9 bit~12 bitA/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出。其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。本系統(tǒng)采取了寄生電源的方式，如圖5所示，通過一個(gè)MOSFET把CPU的I/O口直接拉到電源大小。這種接法優(yōu)點(diǎn)是雙重的：（1）VDD接地，無需本地電源；（2）缺少正常電源的條件下也可讀ROM.

2.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊由液晶顯示電路和鍵盤電路兩部分組成。液晶顯示器件采用TC1602E字符型LCD模塊，該模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)。TC1602E可以顯示2行16個(gè)字符，有8 bit數(shù)據(jù)總線D0~D7,RS、R/W、EN三個(gè)控制端口，工作電壓為5 V,并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光顯示。第一行顯示倒車?yán)走_(dá)測(cè)量距離，第二行顯示環(huán)境溫度，液晶顯示模塊電路如圖6所示。

2.6 電源模塊[3]

倒車?yán)走_(dá)是安裝在汽車的尾部，其電源應(yīng)是便攜式的，以方便安裝更換。本系統(tǒng)選用ATmega16,其電源電壓是5 V.可以使用開關(guān)電源產(chǎn)生的5 V直接供電，但這樣最好把開關(guān)電源做在主控板上，傳感器等需要另配電源。因此可以選用9 V疊層電池通過低功耗、可調(diào)、低壓差穩(wěn)壓器MAX667線性穩(wěn)壓至5 V（VCC）后給系統(tǒng)供電，轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

2.7 聲光報(bào)警模塊

報(bào)警電路模塊如圖8所示，主要作用是在汽車尾部與障礙物距離較近時(shí)進(jìn)行報(bào)警。根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)汽車尾部與障礙物距離大于5 m時(shí)，可認(rèn)為是安全狀態(tài)，液晶顯示"――"標(biāo)志；在5 m和1 m之間時(shí)認(rèn)為是正常的，顯示實(shí)測(cè)距離；小于1 m時(shí)，應(yīng)提醒司機(jī)注意，系統(tǒng)發(fā)出聲音報(bào)警功能，單片機(jī)向其端口發(fā)出PWM脈沖，隨著距離的減小，通過控制PWM脈沖的占空比使蜂鳴的頻率加??；小于0.5 m時(shí)，要求聲光同時(shí)報(bào)警，由于閃光頻率不能過高，通過單片機(jī)另一個(gè)端口控制其閃亮。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[3-4]

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)，C語(yǔ)言編程，這樣便于閱讀與功能擴(kuò)展。程序主要由主程序、測(cè)距子程序、測(cè)溫子程序、延時(shí)子程序、液晶顯示子程序等幾個(gè)部分構(gòu)成。雷達(dá)測(cè)距開始由汽車倒車控制，一旦倒車開始，即啟動(dòng)ATmega16片內(nèi)的T1連續(xù)發(fā)射40 kHz的PWM,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。考慮到實(shí)際倒車環(huán)境有遠(yuǎn)有近，為防止其他干擾可能引起的誤測(cè)，以最長(zhǎng)距離5 m計(jì)算，超聲波發(fā)送到返回的時(shí)間△t至少為5/340≈15 ms.這樣持續(xù)發(fā)送PWM直至接收到超聲波時(shí)停止發(fā)送，這個(gè)過程大約需要15 ms以上，所以不管所測(cè)距離遠(yuǎn)近，一律每25 ms發(fā)送一次超聲波。由于超聲波會(huì)受到被測(cè)物體不平整、反射角度、環(huán)境風(fēng)速、溫度以及多次反射的影響，可能會(huì)帶來測(cè)量數(shù)據(jù)誤差增大。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，要求連續(xù)檢測(cè)5次時(shí)間，去掉最大和最小的測(cè)量值，然后對(duì)剩下3個(gè)測(cè)量值求平均值。

4 軟硬件調(diào)試及實(shí)驗(yàn)數(shù)分析

硬件制作時(shí)主要需保證發(fā)送和接收兩個(gè)換能器中心軸線平行并相距6 cm,根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C12的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。然后通過JTAG口在線調(diào)試下載程序并運(yùn)行。以300 cm2硬紙板（實(shí)際中障礙物要比這個(gè)面積大）為障礙物對(duì)倒車?yán)走_(dá)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。為了檢驗(yàn)倒車?yán)走_(dá)的性能，對(duì)同組數(shù)據(jù)進(jìn)行了三次循環(huán)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在500 cm以上時(shí)測(cè)量誤差在2 cm左右，在500 cm以內(nèi)時(shí)倒車?yán)走_(dá)最大誤差不超過1 cm.倒車?yán)走_(dá)有效范圍為0.05~5.7 m,這足以實(shí)際泊車需要。表1列出了汽車倒車?yán)走_(dá)在5 m以內(nèi)的測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際值。

本文給出了一種倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)方案，該方案可以達(dá)到很高的采集速率和測(cè)量精度，并且具有溫度自動(dòng)校正功能。同時(shí)，汽車倒車時(shí)可以通過液晶屏清晰地顯示障礙物與車尾的距離，幫助司機(jī)克服了后視鏡小，視野窄的缺點(diǎn)。當(dāng)車至危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，通過聲光報(bào)警提醒司機(jī)，消除了倒車造成的事故隱患。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了汽車倒車?yán)走_(dá)的有效性、可靠性。同時(shí)系統(tǒng)還預(yù)留部分接口，為系統(tǒng)升級(jí)和數(shù)據(jù)通信帶來方便。