基于单片机的汽车倒车雷达的设计与实现

尹家伟

摘 要：随着我国经济飞速发展，越来越多的人拥有了自己的汽车，同时由泊车和倒车所引发的事故也越来越多。这些事故常常给驾驶员带来许多的麻烦，因此，有助于驾驶员泊车和倒车的倒车雷达应运而生。倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和启动车俩时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷。本文介绍了以AT89S52单片机为核心的一种低成本、高精度、微型化，并有数字显示和声光报警功能的倒车雷达系统，该倒车雷达根据超声波测距原理研制，采用温度补偿技术、开机自检技术和优化的软硬件技术，将测得的结果送至数码管显示，同时进行三级声光报警。驾驶员只需坐在驾驶室就能做到心里有数，极大的提高了泊车和倒车时的安全和效率。

关键词：倒车雷达；超声波；单片机AT89S52

一、国内外倒车雷达的发展现状

通常的倒车雷达主要由感应器（探头）、主机、显示设备等三部分组成。感应器发出和接受超声波信号，并将接受到的信号传输到主机，再通过显示设备显示出来。感应器装在后保险杠上，以角45度辐射，检测目标，能探索到那些低于保险杠而驾驶员从后窗又难以看见的障碍物并报警，如花坛、蹲在车后玩耍的儿童等；显示设备装在仪表板上，提醒驾驶员汽车距后面物体还有多少距离，到危险距离时，蜂鸣器就开始鸣叫，提示驾驶员停车。根据感应器种类不同，倒车雷达可分为粘贴式、钻孔式和悬挂式。粘贴式感应器后有1层胶，可直接粘在后保险杠上；钻孔式感应器是在保险杠上钻一个洞，然后把感应器嵌进去；悬挂式感应器主要用于载货车。根据显示设备种类不同，倒车雷达又可分为数字式、颜色式和蜂鸣式。数字式显示设备是一只如传呼机大小的盒子，安装在驾驶台上，直接有数字表示汽车与后面物体的距离，并可精确到1厘米，让驾驶员一目了然。倒车防撞雷达发展到现在已经历经5代。

二、超声波倒车雷达系统工作原理

倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。

倒车雷达只需要在汽车倒车时工作，为驾驶员提供汽车后方的信息。由于倒车时汽车的行驶速度较慢，和声速相比可以认为汽车是静止的，因此在系统中可以忽略多普勒效应的影响。在许多测距方法中，脉冲测距法只需要测量超声波在测量点与目标间的往返时间，实现简单，因此本系统采用了这种方法。驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，超声波发送模块向后发射40kHz的超声波信号，经障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机AT89C2051将此信号送入显示模块，同时触发语音电路，发出同步语音提示，当与障碍物距离小于1m、0.5m、0.25m时，发出不同的报警声，提醒驾驶员停车。

三、系统硬件设计与相应的软件设计

1.倒车语音及报警电路及控制程序。单片机采用89S51 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0 端口输出超声波转化器所需的40KHz 方波信号，利用外中断0 口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4 位共阳LED 数码管，段码用74LS245 驱动，位码用PNP9012 三极管驱动。

2.超声波发射电路与接收电路及其距离测算程序。发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1. 0端口输出的40 kHz方渡信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方渡信号加到超声波换能器兩端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11，一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

3.超声波检测接受电路。参考红外转化接收期刊的电路采用集成电路CX20106 J4，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz 与测距超声波频率40KHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4 的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。

四、安装调试及分析

1.硬件部分。由于本项目规模较大，时间紧张、加之我们经验不足，我们的第一套方案不顺利，CAD设计制版后组装的实验板没能调出正确结果，也没有资金和时间再做一块板。我们采用了第二套备用方案，根据自己原有的电路图通过专业技术员的改动做成了一块板子，这样性能比较稳定，我们通过软件编程和调试完成了设计课题要求的任务及系统要求的功能。

一个系统要良好运行，就需每一个模块或每一个部分都要调试正确。它可以进行单独调试，将程序下载入89S52芯片，将所测距离显示在数码管上。采用数码管显示的是障碍物到超声波探头的距离.可以很直观地显示出距离的大小.与实际调试时完全相符，效果良好，直观且精确，符合标准。

超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ15 的超声波换能器TCT40-10F1（T 发射）和TCT40-10S1（R 接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4 的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

这个板不管前面有无遮挡物总是显示27，这是因为标有T字样的超声波接收头没有收到正确的回波信息导致工作异常引起的，我们发现接收头比较娇嫩，轻微的磕碰就会导致内部器件错位影响正常工作，但是只要稍稍旋转或者上下拨动一下接收头，很多情况就会排除故障又能正常工作了。最小检测距离为27厘米，是为了防止超声波发射传感器发出超声波沿电路板或者外壳直接进入超声波接收传感器内引起误判断，所以程序要求超声波发射若干时间后必须停止若干时间，这个时间大约是超声波在空气中传播20多厘米的时间，这段时间内是不接受信号的，主要就是为了躲开直接传导的信号避免引起误判断。

2.软件实现与操作。系统软件的整体结构各模块在前面已介绍。先在WAVE下编完程序，然后编译好通过后，生成目标文件十二和十六进制，烧录到89S52片子中时，先下载监控程序加上我们编译好的十六进制程序，再写入芯片中即可调试，通过不断修改完善，最终很好地实现了我们的目标。

根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为27cm-400cm，测距仪最大误差不超过3cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

参考文献：

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[2]裘有斌，张国忠，陈丰伟，高杰.基于ISD4004的家庭语音报警系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用.2008（04）.

[3]吴勉.超声波驻车暨倒车雷达系统研制[J].现代电子技术.2007（17）.