單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)研究

孫世菊

摘 要：倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保障汽車(chē)倒車(chē)安全的重要裝置。在汽車(chē)上，用單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀可以有效的向駕駛員反應(yīng)汽車(chē)周?chē)恼系K物分布狀況，從而幫助駕駛員安全地進(jìn)行倒車(chē)操作。文章研究了單片機(jī)控制的超聲波

測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)的相關(guān)方面。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波；測(cè)距儀；倒車(chē)系統(tǒng)

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)的研發(fā)技術(shù)越來(lái)越成熟，汽車(chē)的購(gòu)買(mǎi)數(shù)量也越來(lái)越多，對(duì)于汽車(chē)駕駛安全的保障愈加重要。在汽車(chē)安全設(shè)計(jì)中，對(duì)于汽車(chē)倒車(chē)安全的保障一直是重要的研究專(zhuān)題?；趩纹瑱C(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)，能夠幫助駕駛員全面的掌握倒車(chē)時(shí)汽車(chē)周?chē)沫h(huán)境狀況，對(duì)汽車(chē)倒車(chē)安全的保障有重要意義。

1 超聲波測(cè)距的工作原理和方式

1.1 超聲波測(cè)距的工作原理

人耳可識(shí)別的聲音頻率是由范圍的，當(dāng)聲波頻率在 20Hz-20000Hz之間時(shí)，人耳能夠識(shí)別該聲波；而如果聲波頻率低于 20Hz，被稱(chēng)為低頻聲波，人耳無(wú)法識(shí)別；如果聲波頻率超過(guò) 20000Hz，被稱(chēng)為超聲波，人耳同樣無(wú)法識(shí)別，只有少數(shù)生物可以識(shí)別。超聲波的波長(zhǎng)較短，繞射很小，而且能夠定向傳播。超聲波的傳播方式與其他聲波不同，呈直線傳播，而且其繞射能力隨聲波頻率的增高而降低，反射能力雖聲波頻率的增高而增強(qiáng)，科研人員根據(jù)這一特性，研究出了超聲波傳感器用于距離的測(cè)量。在利用超聲波進(jìn)行測(cè)距時(shí)，通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一特定方向發(fā)射超聲波，由于超聲波沿直線傳播，具有很強(qiáng)的反射能力，在傳播過(guò)程中，如果超聲波遇到障礙物，就會(huì)發(fā)生反射，然后通過(guò)超聲波接收器接受反射回來(lái)的超聲波，根據(jù)超聲波發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間，就能夠計(jì)算出超聲波到達(dá)障礙物處又反射回來(lái)的時(shí)間 t。最后測(cè)量出此時(shí)周遭環(huán)境的溫度，修正超聲波的傳播速度 v，根據(jù) s=vt/2，就可以測(cè)量出超聲波發(fā)射位置與障礙物兩者之間的距離。

1.2 超聲波測(cè)距的工作方式

利用超聲波進(jìn)行測(cè)距，需要通過(guò)傳感器接收超聲波，然后根據(jù)接收時(shí)間和發(fā)射時(shí)間，計(jì)算出超聲波的傳播時(shí)間，進(jìn)而得到超聲波發(fā)射處與障礙物之間的距離。目前，超聲波測(cè)距的工作方式主要有三種。其一，相位檢測(cè)法，這種檢測(cè)方法具有很高的精度，但精度提高的代價(jià)是大大縮短檢測(cè)的范圍。其二，聲波幅值檢測(cè)法，聲波幅值檢測(cè)法方位大，精度也不低，但受反射波的影響很大。其三，渡越時(shí)間檢測(cè)法，這種檢測(cè)方法的工作方式相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，無(wú)論是硬件設(shè)備的操作還是軟件程序的應(yīng)用設(shè)計(jì)，難度都不大，對(duì)于工作條件的要求低。渡越時(shí)間檢測(cè)法的工作原理是，檢測(cè)超聲波經(jīng)由發(fā)射傳感器發(fā)射，而后通過(guò)空氣媒介傳播到接受傳感器的時(shí)間，然后再進(jìn)行距離的計(jì)算。在渡越時(shí)間檢測(cè)法中，所測(cè)量的時(shí)間即為渡越時(shí)間?；趩纹瑱C(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)應(yīng)用渡越時(shí)間檢測(cè)法最為合適。汽車(chē)在倒車(chē)過(guò)程中需要不斷移動(dòng)，但移動(dòng)速度一般并不快，相對(duì)于超聲波的傳播速度可以忽略不計(jì)。在汽車(chē)上安裝超聲波的發(fā)射和接收傳感器，然后利用超聲波定向傳播以及反射性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)超聲波的渡越時(shí)間和此時(shí)的超聲波傳播速度計(jì)算出障礙物到汽車(chē)的距離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)由單片機(jī)負(fù)責(zé)控制超聲波的發(fā)送和接收。第一，倒車(chē)系統(tǒng)必須具備一定距離內(nèi)無(wú)接觸的測(cè)距能力，為了提高測(cè)距的精準(zhǔn)度，還要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，所以需要系統(tǒng)能夠?qū)⑵?chē)所處環(huán)境的溫度測(cè)量出來(lái)，然后再根據(jù)溫度確定此時(shí)超聲波的傳播速度。第二，倒車(chē)系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)獲取超聲波的速度信息以及傳播時(shí)間，然后計(jì)算出障礙物到汽車(chē)的距離。最后，單片機(jī)根據(jù)得到的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)的處理，使之轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型的信息，在顯示器上顯示，或者通過(guò)一定元器件進(jìn)行報(bào)警，從而達(dá)到幫助駕駛員掌握周遭狀況的作用，提醒駕駛員及時(shí)作出應(yīng)對(duì)。由于傳感器的性能因素，基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)可以測(cè)量出汽車(chē)周?chē)蠹s 3米內(nèi)的障礙物距離，其數(shù)值會(huì)在 LCD中反應(yīng)給駕駛員。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有溫度檢測(cè)裝置，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)汽車(chē)周遭的環(huán)境溫度，從而修正超聲波的傳播速度，更加精準(zhǔn)的測(cè)量出障礙物的距離，大大提高了倒車(chē)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。此外，在汽車(chē)與障礙物的距離過(guò)近時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，具體表現(xiàn)為蜂鳴器發(fā)聲、數(shù)據(jù)顯示屏亮度閃動(dòng)，從而引起駕駛員的警惕。蜂鳴器的發(fā)聲頻率會(huì)隨著距離的減小逐漸增加，實(shí)時(shí)提醒駕駛員注意行車(chē)安全。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)，其系統(tǒng)軟件需要根據(jù)單片機(jī)特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，一般軟件系統(tǒng)應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等多個(gè)模塊?；趩纹瑱C(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)軟件，應(yīng)當(dāng)具備以下幾個(gè)功能。第一，控制超聲波的發(fā)射和接受。汽車(chē)在倒車(chē)過(guò)程中有時(shí)需要不斷轉(zhuǎn)向，因此，汽車(chē)上超聲波的發(fā)射和接受也會(huì)隨著改變，此時(shí)需要系統(tǒng)軟件對(duì)汽車(chē)上不同位置超聲波的發(fā)射和接收傳感器進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)不同的情況，控制不同的傳感器進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收。第二，計(jì)算倒車(chē)碰撞的安全距離。汽車(chē)在倒車(chē)過(guò)程中雖然速度一般比較慢，但汽車(chē)的停車(chē)不可能在瞬間完成，在停車(chē)的過(guò)程中汽車(chē)會(huì)繼續(xù)沿原來(lái)方向行駛一段距離。因此，基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)軟件應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)汽車(chē)的行駛速度，計(jì)算出汽車(chē)倒車(chē)的安全距離，然后在此基礎(chǔ)上延長(zhǎng) 1米設(shè)置報(bào)警距離，從而保證汽車(chē)倒車(chē)的安全。第三，測(cè)出超聲波的傳播時(shí)間，并計(jì)算障礙物到汽車(chē)的距離。這是基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)軟件最基礎(chǔ)的功能，不僅要能夠計(jì)算出障礙物到汽車(chē)的距離，還要能夠選擇其中最近的障礙物，將其距離信息反饋給駕駛員。

基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀汽車(chē)倒車(chē)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，從功能方面來(lái)看，可以劃分為預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報(bào)警等多個(gè)模塊的軟件。在系統(tǒng)軟件運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)主程序進(jìn)行鍵控循環(huán)，在固定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)根據(jù)各模塊的功能，有序執(zhí)行模塊指令，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢(xún)接收子程序、定時(shí)子程序，最后根據(jù)測(cè)量的信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在顯示裝置上反應(yīng)給駕駛員，并根據(jù)具體的情況，判斷是否發(fā)出報(bào)警以及報(bào)警的類(lèi)型。系統(tǒng)軟件主程序在運(yùn)行過(guò)程中，需要首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行初始化，調(diào)整定時(shí)器的工作模式，而后再調(diào)用傳感器，進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收，最終測(cè)量出距離信息。計(jì)數(shù)器可以采用 12MHz的晶振，這樣計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)的時(shí)間為 1s，在主程序判斷超聲波信號(hào)接收成功時(shí)，就可以通過(guò)計(jì)算得到超聲波傳播時(shí)間，然后通過(guò)溫度傳感器得到的溫度數(shù)值，對(duì)此時(shí)超聲波的傳播速度進(jìn)行修正，最終計(jì)算出障礙物到汽車(chē)的距離。

基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距汽車(chē)倒車(chē)系

統(tǒng)，通過(guò)程序與硬件的模塊化設(shè)計(jì)，將軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，能夠在保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)距，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)駕駛員發(fā)出提醒，幫助駕駛員全面了解汽車(chē)倒車(chē)時(shí)周遭的情況，從而保障汽車(chē)倒車(chē)的安全。

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