基于单片机的超声波测距报警系统研究

徐苏奇 董林海 姜登科

摘  要：在汽车倒车时，车主可以通过终端显示器，清晰地看到汽车尾部和侧部与附近物体之间的距离，而一旦两者之间的距离小于系统预设的值时，系统就会发出警报，提示司机及时进行处理，避免出现碰撞剐蹭。可见，敏感性强、性能良好、探测范围广的测距报警系统，在日常行车中具有非常重要的应用价值。本文在简要阐述超声波测距运行机制与原理的前提下，对基于单片机的超声波测距报警系统进行了整体设计，并从硬件系统和软件系统两方面入手展开了详细论述。

关键词：单片机;超声波测距;软件系统

中图分类号：TP274.53;TP368.12       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0051-02

0  引  言

随着人们生活水平的提升，汽车已经成为了现代家庭的标配，并使得汽车的规模不断扩大，但随着城镇化建设的加快，城市土地资源越来越紧张，交通拥堵成为了城市生活的常态。在此背景下，汽车转、停、倒、靠等行为也受到了较大限制，对司机，尤其是新手司机更是提出了巨大挑战，稍有不慎就会出现追尾和剐蹭，不仅给当事人带来了较大的安全和财产损害，而且对交通运行也会造成许多压力。因此，许多车主都希望汽车能够具备距离探测和智能报警功能，这就催生了汽车防碰撞系统。但就现状来讲，当前汽车防碰撞系统普遍存在功能简单、灵敏性弱等问题，没有充分满足消费者的个性需求。本文根据超声波测距原理，在倒车雷达系统的基础上，试图设计一种更为灵敏，适用范围更为广泛的测距报警系统。

1  超声波测距的运行机制与原理

超声波是一种频率高、反射性强、穿透力强的特殊波段，其直线传播的特性非常适合用于测距。当前，超声波测距的方法主要有三种，包括相位检测法、幅值检测法和渡越时间检测法，而本系统中所用的为渡越时间检测法。因为这种方法具有电路设计简单、测量精准度高、可操作性强等优势。具体运行机制如下：超声波传速为C，从单片机开始进行运算到回波反馈结束的时间差为△T，汽车尾部和侧部与附近物体的距离为S，即S=C*△T/2。由于超声波传播速度会受到外部气温的影响，所以本系统中会增设相应的温度补偿模块，以确保测距结果的精准性。

2  系统整体设计思路

超声波测距是整个系统的核心支撑，司机在将挡位挂到倒车档时，整个测距系统会自行启动，超声波发射器和计时器同步运行，当超声波遇到障碍物进行反射后，接收器会进行接收，当接收完成的一瞬间，计时器停止运行。随后，STC89C52单片机根据上述超声波运送公式进行运算后，将结果信息传输到显示终端和警报终端。

在整个系统中，为了确保测距结果的精准性，采用了ARM控制器脉冲计数，然后将时间转化为脉冲数量N，带入上式后得到L=NC/2f，式中的f表示脉冲频率。根据物理学相关知识可知，零度以下时，超声波传播速度为每秒钟331.48m，对此，我们可以利用相关软件对其展开修整，以最大程度地消除温度对测距结果的影响。在该系统设计中，拟采用DS18B20传感器作为温度补偿机制，因为该传感器具有电压范围宽、负压范围广、分辨率可调、测量精度误差小等优势。

综上所述，该系统的硬件主要由STC89C52单片机、DS18B20传感器、显示终端、超声波接发器、报警器构成，而软件则主要由主程序、温度补偿、数字显示、报警系统、数据采集等构成。

3  硬件子系统构成

3.1  超声波发射子系统

超声波发射子系统主要由脉冲产生电路和发射电路两大模块构成，STM32F103VB的PD 10端口输出的脉冲波为40ms，其升压和脉宽主要由单稳态触发器实施管控，输出周期和高电平宽度分别为40ms、160μS，而其信号则是555振荡器的置位脉冲。具体过程是，555振荡器定期首先发出8个40kHz脉冲，然后超声波发射器将其转化为超声波信号进行发射，最后当超声波遇到介质阻碍后，就会反射回來，并由超声波接收器获取。

3.2  超声波接收子系统

超声波接收子系统主要由三大模块构成，包括检波电路、放大电路、整形电路，并由集成芯片CX20106提供核心支撑。该集成芯片属于红外线检波接收专用芯片，在红外遥控领域有着广泛应用，有着较强的灵敏性和抗干扰性。而为了最大程度地避免接收器出现宕机，需要对电容进行调整，简单来讲，就是当没有信号时，输出高电平，当有信号时，则输出低电平。同时，为避免将发射器的探头回波误以为是反射回来的超声波，可利用相关软件实施延时处理，就是在脉冲发出后要延迟些许，才允许单片机接收中断信号。

3.3  终端显示子系统

超声波属于典型的机械波，在其实际传播过程中，不仅会受到温度的影响，而且还会受到其他环境因素的影响，这就要求通过相应的稳控系统对其进行补偿和修整，以确保其处于最佳的测量状态。为此，本系统基于DS18B20芯片的特点与性能，针对性地设计了测温电路，由于该芯片的I/O线只有一根，所以只需要在DQ引脚处设置上拉电阻就行。另外，该系统通过串行的方式进行终端显示的驱动设计，就是通过简单的三根共阳极连接数码管进行汽车尾部侧部的距离显示。简单来讲，就是将芯片上p0.0、p0.7两个端口进行连接，将其作为段选，随后将p2.1、p2.3两个端口与三个公共端口进行连接，并将其作为位选。

3.4  报警子系统

目前，在汽车测距警报系统中，最常用的警报器就是蜂鸣器，尽管它有着固定的频率，但通过不同频率方波的持续作用，也能够让它发出简单的乐曲。相比于扬声器，蜂鸣器造价成本低，且使用寿命长，只需要合适直流电压通过就能够发出相应的声音。因此，该系统的报警子系统同样采用的是蜂鸣器，由单片机端口p3.6发出40kHz的信号，然后借助8050三极管放大后作用于蜂鸣器，进而实现警报发声。当汽车尾部或侧部与附近物体的距离较短时，蜂鸣器就会发出警告。另外，还可以增设一个信号调节器，距离越近信号频率越高，蜂鸣器报警声就越紧凑，进而为司机的距离判断提供重要参考，避免发生碰撞。

4  软件系统构成

在超声波测距报警系统中，软件系统无疑是不可或缺的重要构成，本次系统设计中，采取常规的C语言进行程序编写。在硬件组成电路中，超声波发射器发射超声波，然后单片机通过具体反射时间测算出汽车与附近物体之间的距离。具体来讲，当计时器开始运行后，发射出去的超声波在遇到介质阻碍后就会反射回来，随后接收器在接收到反射超声波后，向芯片输入相应信号，最后单片机系统会结合具体时间数据和温度数据，经过修正计算得出具体的距离，并将相关信号传达给显示系统，当距离低于设置的相应极限值后，向报警系统传输相应信号，进而引发蜂鸣器。

5  结  论

通过实验数据对比发现，该系统具有较强的灵敏性，尽管存在一定的误差，但都是在可接受和可控制的范围内。可以说，该系统的设计不仅能够为司机提供重要的安全保障，而且能够减少交通事故的发生，我们有理由相信，随着信息技术的不断发展，超声波测距报警系统将变得更加人性化，尤其是3D成像系统与测距系统的结合，可以说是大有可期。

参考文献：

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[6] 郝玉楠，纪昕洋，马晴.基于超声波测距技术的车辆防剐蹭预警系统的设计 [J].电子测试，2018（12）：33+32.

作者简介：徐苏奇（1999.07-），男，汉族，江苏丹阳人，学生，研究方向：汽车电子技术;董林海（1998.10-），男，汉族，江苏启东人，学生，研究方向：汽车检修技术;姜登科（1997.09-），男，汉族，江苏睢宁人，学生，研究方向：汽车电子技术。