论文部分内容阅读
[摘 要]超声波倒车雷达的出现极大地增加了车主临时倒车的安全性，特别是在闹市区和光线暗淡的情况下，是汽车停车或者倒车时的安全辅助装置。能够有效地帮助驾驶员扫除视野盲区，避免汽车倒车过程中发生碰撞，从而广受社会各界的好评。
[关键词]超声波 测距 单片机 倒车
中图分类号：TN959 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0367-01
[Abstract]The emergence of ultrasonic reversing radar greatly increased the safety of the owner of the temporary reversing， especially in the downtown area and the case of light is the car parking or reversing the safety of auxiliary devices. Can effectively help the driver to clear the blind spot， to avoid the car reversing the process of collision， which is widely praised by the community.
[Key words]ultrasonic distance detection MCU reversing
1 系统工作原理
超声波倒车系统由超声波传感器、单片机控制器和显示器等部分组成。超声波传感器将电能和超声波相互转化，实现测距，车尾的超声波传感器发送超声波遇到障碍物后，发射回来经超声波传感器接收后传给单片机控制器进行处理，得到障碍物距离交通工具的距离，将数据由送入显示器显示，能够探测0.25～2.5m范围内的障碍物，以及利用声音报警和LED发光二极管实现声光提示报警，用于提醒驾驶人员，实现轻松倒车。
1.1 超声波传感器
超声波具有的优点使得超声波在距离的测量中的应用广泛。超声波传感器将电能和超声波相互转化，采用压电材料的压电传感器是超声检测中最常用的一种传感器，当发射超声波时，将压电材料置于电场之中，它产生一定的应变，对压电材料加以交变电场，会产生交变的应变，从而产生超声振动；当接收超声波时，由于超声波的声波效果，压电材料在声波的压力作用下引起振动变形，形变可等效转换为电信号。压电晶体的谐振产生超声波，共振时，其频率为压电晶片的固有振荡频率（即中心频率）。
超声波传感器的频率特性，SZW-S40-12M发射型超声波发射传感器的升压能级中，超声波发射的中心频率为40KHz，超声声压能级最高，超声波传感器产生共振，可将超声波波长λ设为0.85cm，超声波接收传感器的频率特性类似。
1.2 超声波测量距离的原理
超声波发射后遇到障碍物反射回来送入超声波传感器，而何时反射回来无法确定，需要超声传感器一直查询检测发射回来的信号，从而计算出时间差t，代入公式S=Ct/2，求出距离S，S为超声波发射点与被测障碍物之间的距离，其中，C为声波在介质中的传输速率，t为超声波发射到超声波返回的时间间隔，超声波声速C与温度有关，温度变化不大时可认为声速是基本不变，确定声速，并测得超声波从发射到接收的时间，可求得距离。
2.软件设计
程序的总体思路：用定时器0和定时器2的比较匹配方式产生40KHz的方波，发几个周期驱动超声波发射电路，把超声波发射出去，此时打开定时器1从初值0开始计数，超声波接收电路一旦收到回波，立即停止计数，读出这个时候的计数值并换算出时间间隔，计算出障碍物的距离，如果在一定时间内没有扫描到低电平，就提示出错。在系统中我们用了两套超声波，定时器2是给远距离的测量发射电路提供40KHz的方波，定时器0是给近距离的测量发射电路提供40KHz的方波，在进入程序时默认使用远距离测量超声波收发模块，如果发现测量距离低于某个值就立即更换使用近距离测量超声波收发模块，同样如果近距离测量模块测得的数据大于某个值，就立即更换为远距离测量模块，如此协调工作，保证系统稳定，测量精确。
3.系统主要构成
3.1 单片机处理单元
针对超声波倒车雷达的系统设计方案有很多种，但大致的设计思路都是从控制系统出发，形成与控制系统紧密相连的发射模块、接收模块、蜂鸣器和数据显示。各模块有有自己的功能，比如测距系统模块，它主要是针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。还有控制系统模块，它是以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。另外有显示报警系统模块，用来显示最小距离及报警以提醒驾驶员。除此之外，系统探测范围及传感器的布点对倒车也有很大的影响，如果系统探测范围及传感器的布点设置不当，那么就容易出现盲区，对汽车周围的障碍物探测不出，容易出现倒车事故。而且在有的环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况。
具体看整体系统，一般以性能较好的AT89C51单片机为核心，控制超声波传感器的收发，并测算距离，同时根据倒车距离段的不同进行分段语音报警。硬件部分实现分四部分来控制：第一是以AT89C51单片机为核心的主控系统电路；第二是超声波发射和接收电路；第三是显示电路；第四是语音报警电路。在设计过程中，市场上都能购买到相应型号的硬件设施，但对各种硬件设施特定实际情况下的工作效率，我们需要进行严谨的考核。比如工作频率，工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。还有工作温度，由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷設备。最后是灵敏度，主要取决于压电晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
3.2 数码显示电路和声光报警单元
数码显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，用于显示车尾障碍物的距离，由单片机P0.0—P0.6接LED的a～g七个笔段，P2.4～P2.7接四位8550的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动，显示精度厘米。声光报警电路，当所测距离小于一定值时，通过声光报警，计算出的距离在发光二级管上显示的同时，将其与设定值（比如1m）进行比较，如小于1m，接蜂鸣器报警，否则不报警；在距离小于一定距离时，通过将发光二极管的闪烁设置闪烁越来越频繁来实现光报警。
3.3 按键控制单元
按键控制电路，通过按键控制倒车雷达的工作状态，根据是否倒车启动和停止该系统，以及通过按键实现安全距离的选择，以满足不同的需要。
结语
超声波倒车雷达系统采用的是模块化联系交互的，主要模块包括测距模块、系统控制模块和显示报警模块。衡量一款超声波倒车雷达系统的好坏的唯一标准就是是否清晰安全，而证实清晰安全最直接的方法就是就是进行大量重复试验。
参考文献
[1] 王红云.基于超声波测距的倒车雷达系统设计[J].国外电子元器件，2008（08）：69-70.
[关键词]超声波 测距 单片机 倒车
中图分类号：TN959 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0367-01
[Abstract]The emergence of ultrasonic reversing radar greatly increased the safety of the owner of the temporary reversing， especially in the downtown area and the case of light is the car parking or reversing the safety of auxiliary devices. Can effectively help the driver to clear the blind spot， to avoid the car reversing the process of collision， which is widely praised by the community.
[Key words]ultrasonic distance detection MCU reversing
1 系统工作原理
超声波倒车系统由超声波传感器、单片机控制器和显示器等部分组成。超声波传感器将电能和超声波相互转化，实现测距，车尾的超声波传感器发送超声波遇到障碍物后，发射回来经超声波传感器接收后传给单片机控制器进行处理，得到障碍物距离交通工具的距离，将数据由送入显示器显示，能够探测0.25～2.5m范围内的障碍物，以及利用声音报警和LED发光二极管实现声光提示报警，用于提醒驾驶人员，实现轻松倒车。
1.1 超声波传感器
超声波具有的优点使得超声波在距离的测量中的应用广泛。超声波传感器将电能和超声波相互转化，采用压电材料的压电传感器是超声检测中最常用的一种传感器，当发射超声波时，将压电材料置于电场之中，它产生一定的应变，对压电材料加以交变电场，会产生交变的应变，从而产生超声振动；当接收超声波时，由于超声波的声波效果，压电材料在声波的压力作用下引起振动变形，形变可等效转换为电信号。压电晶体的谐振产生超声波，共振时，其频率为压电晶片的固有振荡频率（即中心频率）。
超声波传感器的频率特性，SZW-S40-12M发射型超声波发射传感器的升压能级中，超声波发射的中心频率为40KHz，超声声压能级最高，超声波传感器产生共振，可将超声波波长λ设为0.85cm，超声波接收传感器的频率特性类似。
1.2 超声波测量距离的原理
超声波发射后遇到障碍物反射回来送入超声波传感器，而何时反射回来无法确定，需要超声传感器一直查询检测发射回来的信号，从而计算出时间差t，代入公式S=Ct/2，求出距离S，S为超声波发射点与被测障碍物之间的距离，其中，C为声波在介质中的传输速率，t为超声波发射到超声波返回的时间间隔，超声波声速C与温度有关，温度变化不大时可认为声速是基本不变，确定声速，并测得超声波从发射到接收的时间，可求得距离。
2.软件设计
程序的总体思路：用定时器0和定时器2的比较匹配方式产生40KHz的方波，发几个周期驱动超声波发射电路，把超声波发射出去，此时打开定时器1从初值0开始计数，超声波接收电路一旦收到回波，立即停止计数，读出这个时候的计数值并换算出时间间隔，计算出障碍物的距离，如果在一定时间内没有扫描到低电平，就提示出错。在系统中我们用了两套超声波，定时器2是给远距离的测量发射电路提供40KHz的方波，定时器0是给近距离的测量发射电路提供40KHz的方波，在进入程序时默认使用远距离测量超声波收发模块，如果发现测量距离低于某个值就立即更换使用近距离测量超声波收发模块，同样如果近距离测量模块测得的数据大于某个值，就立即更换为远距离测量模块，如此协调工作，保证系统稳定，测量精确。
3.系统主要构成
3.1 单片机处理单元
针对超声波倒车雷达的系统设计方案有很多种，但大致的设计思路都是从控制系统出发，形成与控制系统紧密相连的发射模块、接收模块、蜂鸣器和数据显示。各模块有有自己的功能，比如测距系统模块，它主要是针对超声波传感器设计的发送模块、接收模块和控制系统共同完成测距功能。还有控制系统模块，它是以单片机为控制核心，控制整个系统的运行，对各个接口电路进行控制，发射脉冲，检测到回波后，进行数据处理，测出从超声波发射到接收回波信号的时刻差，从而测出距离。另外有显示报警系统模块，用来显示最小距离及报警以提醒驾驶员。除此之外，系统探测范围及传感器的布点对倒车也有很大的影响，如果系统探测范围及传感器的布点设置不当，那么就容易出现盲区，对汽车周围的障碍物探测不出，容易出现倒车事故。而且在有的环境下，易造成无法侦测及侦测不良之情况。
具体看整体系统，一般以性能较好的AT89C51单片机为核心，控制超声波传感器的收发，并测算距离，同时根据倒车距离段的不同进行分段语音报警。硬件部分实现分四部分来控制：第一是以AT89C51单片机为核心的主控系统电路；第二是超声波发射和接收电路；第三是显示电路；第四是语音报警电路。在设计过程中，市场上都能购买到相应型号的硬件设施，但对各种硬件设施特定实际情况下的工作效率，我们需要进行严谨的考核。比如工作频率，工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。还有工作温度，由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷設备。最后是灵敏度，主要取决于压电晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
3.2 数码显示电路和声光报警单元
数码显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，用于显示车尾障碍物的距离，由单片机P0.0—P0.6接LED的a～g七个笔段，P2.4～P2.7接四位8550的公共端，通过软件以动态扫描方式显示。段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动，显示精度厘米。声光报警电路，当所测距离小于一定值时，通过声光报警，计算出的距离在发光二级管上显示的同时，将其与设定值（比如1m）进行比较，如小于1m，接蜂鸣器报警，否则不报警；在距离小于一定距离时，通过将发光二极管的闪烁设置闪烁越来越频繁来实现光报警。
3.3 按键控制单元
按键控制电路，通过按键控制倒车雷达的工作状态，根据是否倒车启动和停止该系统，以及通过按键实现安全距离的选择，以满足不同的需要。
结语
超声波倒车雷达系统采用的是模块化联系交互的，主要模块包括测距模块、系统控制模块和显示报警模块。衡量一款超声波倒车雷达系统的好坏的唯一标准就是是否清晰安全，而证实清晰安全最直接的方法就是就是进行大量重复试验。
参考文献
[1] 王红云.基于超声波测距的倒车雷达系统设计[J].国外电子元器件，2008（08）：69-70.