基于超聲波測(cè)距原理的倒車防撞預(yù)警器的設(shè)計(jì)

仲園，郁昊

（南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京　210037）

基于超聲波測(cè)距原理的倒車防撞預(yù)警器的設(shè)計(jì)

仲園，郁昊

（南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210037）

介紹了以單片機(jī)STC12C5A60S2為微控制器的低成本、高精度、微型化的汽車倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)。文章分析了倒車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，較詳細(xì)的介紹了超聲波傳感器測(cè)距系統(tǒng)，結(jié)合超聲波測(cè)距的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成，給出了軟件控制流程，并在數(shù)據(jù)處理中采用了溫度補(bǔ)償法修正測(cè)量精度，經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)距范圍為30-500 cm，系統(tǒng)精度可達(dá)到2 mm。

STC12C5A60S2；超聲波；倒車預(yù)警；溫度補(bǔ)償

1　系統(tǒng)概述

汽車倒車防撞預(yù)警器的設(shè)計(jì)涉及到的內(nèi)容較多，其中距離的準(zhǔn)確測(cè)量與顯示報(bào)警是本文研究的重點(diǎn)。系統(tǒng)包括超聲波的發(fā)射與接收電路、溫度補(bǔ)償電路、液晶顯示電路與聲光報(bào)警電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖Fig.1　Total block diagram of system design

2　硬件設(shè)計(jì)

汽車倒車防撞預(yù)警器是利用超聲波測(cè)距原理，在單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，先由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波信號(hào)，并同步計(jì)時(shí)，當(dāng)接收探頭收到反饋信號(hào)后會(huì)發(fā)送一個(gè)低電平給單片機(jī)，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)并進(jìn)行中斷數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出實(shí)時(shí)距離交由LCD1602進(jìn)行顯示，而與障礙物之間的不同距離則利用蜂鳴器不同頻率的聲音提示報(bào)警。硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射與接收電路、溫度補(bǔ)償及聲光報(bào)警電路組成。

2.1主控芯片選擇及其小系統(tǒng)電路

主控芯片是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，文中選用了增強(qiáng)型8051內(nèi)核的單片機(jī)STC12C5A60S2，運(yùn)行速度比普通的8051 快8～12倍。

單片機(jī)工作需要穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，最小系統(tǒng)是單片機(jī)正常工作的保證，最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路及振蕩電路［4］，工作原理如圖2所示。

2.2超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)

圖2　單片機(jī)最小系統(tǒng)Fig.2　Single chip microcomputer minimum system

2.2.1超聲波測(cè)距基本原理介紹

我沒有答話，我真的對(duì)穎春說的這些東西有些煩了，但穎春仍然興致勃勃的，回到家，飯也不吃，覺也不睡，而是把我按在沙發(fā)上坐下說，老公，今晚我們好好合計(jì)一下我們下一步究竟該怎么走。我閉上眼睛說，你想怎么走就怎么走？我想睡覺了。穎春那一下突然跳了起來，她一把將我從沙發(fā)上拖了起來說，孫東西，你怎么這么沒長(zhǎng)進(jìn)呢？從小你父母送你讀書做什么？

超聲波是超出人類聽覺極限的一種機(jī)械波，振動(dòng)頻率超過20 kHz。其波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，方向性好，因而被廣泛地用于物體距離的測(cè)量、厚度等方面［4］，且超聲波傳感器件的能量消耗緩慢有利于測(cè)距［5］。

超聲波傳感器工作的原理就是將物理信號(hào)（超聲波）與電信號(hào)互相轉(zhuǎn)換。當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波發(fā)射出去，而當(dāng)接收超聲波信號(hào)時(shí)，接收探頭則將超聲波轉(zhuǎn)化的電信號(hào)回送到處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)測(cè)距是由安裝在同一水平線上的一對(duì)超聲波發(fā)射與接收探頭對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)送與接收。首先，由超聲波發(fā)射探頭向倒車方向發(fā)射信號(hào)并啟動(dòng)定時(shí)器T0同步計(jì)時(shí)，信號(hào)在傳播過程中遇到障礙物后將被反射回來，當(dāng)接收探頭收到反饋信號(hào)后就會(huì)給一個(gè)低電平到單片機(jī)，單片機(jī)立即停止計(jì)時(shí)［3］。定時(shí)器T0記錄下超聲波在發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間往返傳播所用的時(shí)間t（s），也就可以計(jì)算出所需測(cè)量的距離。其工作時(shí)序圖如圖3所示。

圖3　超聲波時(shí)序圖Fig.3　Ultrasonic sequence diagram

設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為V，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離S為

單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器周期T的計(jì)數(shù)，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fosc取12 MHz，設(shè)周期數(shù)值N［2］，則：T= 12/fosc=1 μs

所以：

2.2.2超聲波發(fā)射與接收電路

1）發(fā)射電路。超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路組成。先由單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的方波脈沖，經(jīng)放大電路放大后驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)放大器，文中選用了CD4069IC進(jìn)行信號(hào)放大，超聲波發(fā)射電路原理如圖4所示，電路工作時(shí)，單片機(jī)P1.0口產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。

2）接收電路。超聲波在介質(zhì)中傳播的過程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的信號(hào)就會(huì)比較微弱，因而需要對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。據(jù)此設(shè)計(jì)了超聲波接收電路，電路主要依賴于集成電路CX20106A。CX20106A是紅外線檢波接收的專用芯片，紅外遙控常用的載波頻率38 kHz，與測(cè)距超聲波頻率40 kHz較為接近，因此用它作為超聲波檢測(cè)電路。接收電路工作時(shí)，將對(duì)收到的超聲波信號(hào)作放大、限幅、濾波、檢波、整形、比較等處理，信號(hào)處理結(jié)束給出一個(gè)低電平到單片機(jī)請(qǐng)求中斷，單片機(jī)收到信號(hào)停止計(jì)時(shí)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。CX20106A本身具有很高的抗干擾的能力，且靈敏度也很高，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。接收電路原理如圖4所示。

圖4　超聲波發(fā)射與接收電路原理Fig.4　Ultrasonic transmitting and receiving circuit principle

2.3溫度補(bǔ)償

超聲波在空氣中傳播，速度與空氣密度息息相關(guān)，空氣的密度值越高超聲波的傳播速度就越快［3］，而空氣的密度又和溫度有著緊密的聯(lián)系，表1為溫度與聲速的關(guān)系。

推理得出溫度與聲速的函數(shù)為：

式中K為實(shí)際環(huán)境溫度，由公式（1）和（2）可以得出實(shí)測(cè)距離S：

因此為了提高測(cè)距的精度，文中利用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞絹頊p小溫度對(duì)聲速的影響。實(shí)驗(yàn)中采用了數(shù)字IC DS18B20測(cè)量實(shí)際環(huán)境溫度，原理如圖5所示。

表1　溫度與聲速的關(guān)系Tab.1 The relationship between temperature and the speed of sound

圖5　DS18B20測(cè)溫電路Fig.5　DS18B20 temperature measuring circuit

DS18B20是達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的數(shù)字型溫度變送器，測(cè)溫范圍從-55℃到+125℃，精度可達(dá)0.062 5℃，結(jié)構(gòu)上采用單線接口方式，DS18B20在和微處理器連接時(shí)只需一條接線便可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊，測(cè)量結(jié)果是以9-12位數(shù)字量方式進(jìn)行串行傳數(shù)。

2.4顯示與聲光報(bào)警電路

預(yù)警系統(tǒng)采用字符型液晶LCD1602來顯示溫度和距離。1602是一種專門顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，其中1602代表顯示的內(nèi)容為16X2（即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊）。圖7為L(zhǎng)CD1602與單片機(jī)的連接圖。

報(bào)警電路是由蜂鳴器與發(fā)光二極管共同組成的，通過把測(cè)距范圍劃分為4個(gè)安全級(jí)別 （1級(jí)為＞=3米，2級(jí)為為2 米-3米，3級(jí)為1米到2米，4級(jí)為小于1米），再由單片機(jī)給定不同頻率使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警音，頻率越高，級(jí)別越高，同時(shí)通過發(fā)光二極管進(jìn)行光報(bào)警，具體為處于1級(jí)安全級(jí)別時(shí)指示燈均不亮，2級(jí)時(shí)綠燈亮，3級(jí)時(shí)黃燈亮，4級(jí)時(shí)紅燈亮，報(bào)警電路如圖7所示。

圖6　LCD1602顯示電路Fig.6　LCD1602 display circuit

圖7　聲光報(bào)警電路Fig.7　Sound and light alarm circuit

3　軟件設(shè)計(jì)

本文是以模塊化的思路進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與編寫［6］，程序主要的功能是完成超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收，并計(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)和障礙物之間的距離s，進(jìn)行安全級(jí)別判斷并作聲光報(bào)警和LCD實(shí)時(shí)顯示。程序分為主程序和外中斷程序兩部分。軟件流程如圖8。

圖8　系統(tǒng)主程序及外部中斷子程序流程圖Fig.8　System flow chart of main program and external interrupt subroutine

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收是分開的，為了準(zhǔn)確接收反射回波信號(hào)，文中要求發(fā)射探頭和接收探頭必須在同一條水平直線上。因測(cè)量的距離不同與發(fā)射擴(kuò)散角導(dǎo)致的誤差以及信號(hào)在空氣中傳播過程中的衰減等問題，發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離不能太遠(yuǎn)，并且還應(yīng)避免發(fā)射探頭對(duì)接收探頭接收信號(hào)時(shí)產(chǎn)生干擾，因此兩者也不可以靠得太近。據(jù)對(duì)相關(guān)資料查閱，兩探頭間距在5～8 cm最為合適［1］，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，最后將兩探頭的距離調(diào)整為6 cm，表2為實(shí)際測(cè)試過程中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2　實(shí)際測(cè)距的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The actual range of the experimental data

從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)測(cè)距距離在30～500 cm之間時(shí)，測(cè)距結(jié)果較為準(zhǔn)確，誤差小于2%。

測(cè)量中產(chǎn)生的誤差主要是由溫度、探頭間距、余波及障礙物表面材料的不同介質(zhì)等引起的［3］，文中針對(duì)溫度引起的誤差已經(jīng)做了溫度補(bǔ)償措施，而兩探頭間的距離也經(jīng)試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整到6 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在30～500 cm之間可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)距，滿足駕駛?cè)藛T的倒車需求。

5　結(jié)　論

本文采用STC12C5A60S2為主控芯片，結(jié)合CX20106A信號(hào)處理芯片及一些基本的放大電路組成倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試可實(shí)現(xiàn)汽車倒車過程中的距離提示及聲光預(yù)警功能，效果比較理想，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。

［1］鞠永勝.基于嵌入式系統(tǒng)汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

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［3］陸冬妹.基于溫度補(bǔ)償?shù)某暡ǖ管嚋y(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（2）:26-29.

［4］霍孟友.單片機(jī)原理與應(yīng)用 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］侯媛彬.凌陽(yáng)單片機(jī)原理及其畢業(yè)設(shè)計(jì)精選 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［6］莫林夫.超聲波測(cè)距應(yīng)用研究［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（21）:163.

Design of car reversing anti-collision warning device based on ultrasonic ranging principle

ZHONG Yuan，YU Hao
（College of Information Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

This paper introduces a reverse anti-collision system with a single chip microcomputer stc12c5A60S2 as control core，it has such characteristics of low cost，high precision and miniaturization.The paper analyzed the design principle of ultrasonic sensor ranging system，it′s introduced in detail in combination with the working principle of ultrasonic distance measurement and the system structure，drawing software control process，and the temperature compensation correction is adopted in data processing，the test system is stable，distance measuring range is 30-500 cm，the system precision can be up to 2 mm.

STC12C5A60S2；ultrasonic；reversing early-warning；temperature compensation

TN7

A

1674－6236（2016）05-0158-04

2015-03-31稿件編號(hào)：201503472

仲 園（1989—），女，江蘇沭陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)控。