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摘 要：本文旨在设计一款经济适用的汽车倒车雷达系统。首先文章简述了汽车倒车雷达系统和超声波传感器的基本原理和特性。接着，对于倒车雷达系统进行了总体方案的设计，总体思路是将单片机技术与超声波技术进行结合。相应地，在总体方案设计之后，对系统进行了硬件选型和设计。随后，对系统的软件模块进行了设计，并通过C语言编程予以实现。最终，通过系统测试和联调，达到了设计要求，取得了理想的效果。
关键词：STC89C52;超声波;倒车雷达
0 引言
随着人们生活水平的不断提高，家用汽车在中国的普及率越来越高。如何有效、安全地驾驶汽车成为人们关心的问题。因此，对于大多数汽车驾驶员来说，设计一款经济适用的汽车倒车雷达系统，具有现实的意义。
1 汽车倒车雷达系统
1.1 汽车倒车雷达系统概述
汽车倒车雷达系统通常由摄像头、控制器、显示器和报警器四部分构成。在驾驶汽车进行倒车操作时，通过摄像头采集汽车与障碍物之间的影像信息，然后将这些信息传送给控制器。接着，控制器对上述信息进行比较和判别，以便将其转换为汽车与障碍物之间的距离信息。最终，通过显示器显示上述距离信息，或者通过报警器，以声光的形式提示驾驶者汽车当前的运行状况，从而指导驾驶者安全地驾驶汽车。在整个系统中，摄像头的数量可以为多个，以便对汽车周边的影像进行全方位无死角地采集。另外，系统的显示器可以为液晶显示器，其还可以配备有扬声器和麦克风，以便进行录音和放音，从而实现驾驶员与汽车倒车雷达系统的互动。在倒车雷达工作工程中，显示器可通过不同颜色的变换来警告危急程度，声音提示则会通过急促程度的不同来警告驾驶员及时停车。
1.2 汽车倒车雷达系统的研究现状
汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，红外线技术具有安全性高、灵敏度高、简单高效等优点。但其最大的缺点是抗干扰能力差，由于干扰的影响，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态。更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方被一层薄薄的冰雪或泥塵覆盖，系统就会失效。另外，市面上还出现了一种电磁感应倒车雷达。其布放在汽车的保险杠上，以此感应周围是否有障碍物。这种倒车雷达系统价格适中，而且可以做到隐私性比较好。但是其安装较复杂，而且只能检测动态障碍物。换句话说，如果汽车处于停止状态，那么车后的静止障碍物将不能被检测。此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装时必须卸下保险杠，而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。
2 超声波技术
2.1 超声波技术原理和应用
超声波具有声波传输的基本物理特性—折射，反射，干涉，衍射和散射。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。当超声波技术应用于汽车倒车雷达系统中时，其利用超声波的反射特性，当车辆后退到达危险距离时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并通过LED显示出来，经过主机对信息的分析和处理之后，系统能发出报警声，进而提醒驾驶人员，起到安全的作用。利用超声波进行检测往往比较迅速、方便并且计算简单。
3 基于超声波技术的汽车倒车雷达系统的设计
3.1 超声波倒车雷达系统总体方案设计
总体设计要求：
（1）测量范围0.02 m～4 m;（2）测量精度1 cm;（3）数码管显示测量结果;（4）可以设置报警值，且报警值可以断电保存;（5）当小于报警值时，可以进行声光报警。
系统框图如下：
3.2 超声波倒车雷达系统硬件设计
3.2.1 控制芯片的选择
方案一：DSP作为系统控制器。DSP是一种特殊的微处理器，它是通过数字信号去处理大量信息。虽然DSP拥有很多的优点，但是它的缺点更突出，其硬件电路复杂，并且价格高昂，有源器件一定会存在与数字系统中，所以在可靠性的方面要逊色于无源设备。
方案二：单片机作为系统控制器。单片机不仅有很强的稳定性，优秀的性价比，而且它的电压非常低、耗能也不大，既环保又安全。正是这种优点，单片机技术得到了快速发展和被广泛推广的机会。不仅如此，单片机的计算能力强，还可以通过软件编程让单片机实现各种各样的逻辑功能。
通过对两种方案的对比，选用方案2。控制器选用STC89C52单片机。
3.2.2 超声波模块的选择
方案一：使用分立元件。
方案二：使用市场中流行的HC-SR04超声波模块。
方案比较：方案一，每个模块都是用分立元件搭建的，但是由于没有超声波调试的仪器，实际操作难度大，尤其后期的调试。方案二中，HC-SR04模块有着以下优点：售价低廉，质量可靠，简单方便易上手，使用在本次设计中比较适合。所以采用第二种方案。
3.2.3 其他模块的选择
整个系统的核心元件使用STC89C52单片机，搭配一些电容或者是电阻晶振等元件。而剩下的模块则是围绕单片机的最小化系统来扩展。距离式传感器是一种称为HC-SR04的超声波自动检测控制模块，其可以进行对距离的测量;显示模块被称为数码管，负责把所有被测量的距离都显示了出来;按键控制模块主要功能就是负责对报警值进行设定;报警电路可以使用蜂鸣器和led来控制完成。当一个测量数据值远远小于一个报警数据值的时候，就会自行启动报警;电源模块，通过使用5V的USB来完成供电功能。另外，使用便携式移动电源同样可以完成供电的功能。
3.3 超声波倒车雷达系统软件设计
3.3.1 主程序流程 主程序的设计思想是超声波发射器先发射一连串40 kHz的方波，然后自动检测是否有信号返回。首先进行数码管的初始化，包括数码管功能的初始化和数码管内容的初始化。然后就进入了一个无限循环的整个过程。循环中的第一个日常任务是运行超声波控制模块，根据数码管显示测量距离，然后判断测量距离是否低于设定值。如果该值低于规定值，将启动声光报警。执行完第一个日常任务后，启动按键扫描器，区分是否有按键被按下，如果有则进入设置报警值的实际操作。至此，一个循环的整个过程就完成了，再次进入循环进行下一轮的间隔检查和按键扫描。对于距离的计算可以通过计算子程序进行，如果距离小于等于1.00 m时，发光二极管发光，并在LED数码管上显示距离;如果距离小于等于0.30 m时，响铃，发光二极管发光;并在LED数码管上显示距离。
3.3.2 超声波模块程序
超声波发生子程序的作用是通过P0.2端口发送若干个超声方波脉冲信号，其频率约为40 kHz，脉冲宽度为12 μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。主程序利用为中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（P0.1引脚出现高电平），立即进入中断程序。超声波发射程序比较简单，主要包括T0断服务程序和超声波接收中断服务程序。
3.3.3 其他软件程序模块
除了超声波模块程序之外，系统的其他软件程序模块还包括显示子程序、报警子程序、按键子程序等软件模块。由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，而超声波测距仪的程序有较复杂的计算（计算距离时），所以主程序和上述子程序模块均可采用C语言编程。
4 调试与结果
4.1 通电前检查及通电观察
首先对照电路原理图检查电路中接线是否正确。在确保整个电路没有任何安装错误后，接通电源。观察电路中各个元器件是否正常地在工作。如果出现了问题，立即关闭电源。经过重重排查找到问题所在，并将其解决后，再次按着上述方法进行通电测试。
4.2 单元电路调试
动态调试是检测单元中各种指标，查看这些指标有没有符合设计要求。将获得的各种数据结果与最初设计的指标进行比较分析，以最终所得出的结论为基础，对电路以及一些参数进行一些必要的修正。
4.3 整機联调
调整了各个模块电路的参数后，还要对其整体性能做进一步测试，以便观察并准确测量动态特性。将检测结果与设计方案指标值进行比较，如果有错误，找出现有的不足并找到解决方案，直到符合实际设计方案。
5 结束语
通过设计分析，可以看出将超声波技术应用于倒车雷达系统中，可以使得倒车系统更加高效，并且成本较低，实现方案简单。
参考文献：
[1]张琛，耿标.超声波测距的原理及设计[J].科技传播，
2014（13）：217-222.
[2]王红云，姚志敏，王竹林，等.超声波测距系统设计[J]. 仪表技术，2015（11）：47-49.
[3]谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2016.
关键词：STC89C52;超声波;倒车雷达
0 引言
随着人们生活水平的不断提高，家用汽车在中国的普及率越来越高。如何有效、安全地驾驶汽车成为人们关心的问题。因此，对于大多数汽车驾驶员来说，设计一款经济适用的汽车倒车雷达系统，具有现实的意义。
1 汽车倒车雷达系统
1.1 汽车倒车雷达系统概述
汽车倒车雷达系统通常由摄像头、控制器、显示器和报警器四部分构成。在驾驶汽车进行倒车操作时，通过摄像头采集汽车与障碍物之间的影像信息，然后将这些信息传送给控制器。接着，控制器对上述信息进行比较和判别，以便将其转换为汽车与障碍物之间的距离信息。最终，通过显示器显示上述距离信息，或者通过报警器，以声光的形式提示驾驶者汽车当前的运行状况，从而指导驾驶者安全地驾驶汽车。在整个系统中，摄像头的数量可以为多个，以便对汽车周边的影像进行全方位无死角地采集。另外，系统的显示器可以为液晶显示器，其还可以配备有扬声器和麦克风，以便进行录音和放音，从而实现驾驶员与汽车倒车雷达系统的互动。在倒车雷达工作工程中，显示器可通过不同颜色的变换来警告危急程度，声音提示则会通过急促程度的不同来警告驾驶员及时停车。
1.2 汽车倒车雷达系统的研究现状
汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，红外线技术具有安全性高、灵敏度高、简单高效等优点。但其最大的缺点是抗干扰能力差，由于干扰的影响，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态。更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方被一层薄薄的冰雪或泥塵覆盖，系统就会失效。另外，市面上还出现了一种电磁感应倒车雷达。其布放在汽车的保险杠上，以此感应周围是否有障碍物。这种倒车雷达系统价格适中，而且可以做到隐私性比较好。但是其安装较复杂，而且只能检测动态障碍物。换句话说，如果汽车处于停止状态，那么车后的静止障碍物将不能被检测。此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装时必须卸下保险杠，而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。
2 超声波技术
2.1 超声波技术原理和应用
超声波具有声波传输的基本物理特性—折射，反射，干涉，衍射和散射。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。当超声波技术应用于汽车倒车雷达系统中时，其利用超声波的反射特性，当车辆后退到达危险距离时，超声波测距传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并通过LED显示出来，经过主机对信息的分析和处理之后，系统能发出报警声，进而提醒驾驶人员，起到安全的作用。利用超声波进行检测往往比较迅速、方便并且计算简单。
3 基于超声波技术的汽车倒车雷达系统的设计
3.1 超声波倒车雷达系统总体方案设计
总体设计要求：
（1）测量范围0.02 m～4 m;（2）测量精度1 cm;（3）数码管显示测量结果;（4）可以设置报警值，且报警值可以断电保存;（5）当小于报警值时，可以进行声光报警。
系统框图如下：
3.2 超声波倒车雷达系统硬件设计
3.2.1 控制芯片的选择
方案一：DSP作为系统控制器。DSP是一种特殊的微处理器，它是通过数字信号去处理大量信息。虽然DSP拥有很多的优点，但是它的缺点更突出，其硬件电路复杂，并且价格高昂，有源器件一定会存在与数字系统中，所以在可靠性的方面要逊色于无源设备。
方案二：单片机作为系统控制器。单片机不仅有很强的稳定性，优秀的性价比，而且它的电压非常低、耗能也不大，既环保又安全。正是这种优点，单片机技术得到了快速发展和被广泛推广的机会。不仅如此，单片机的计算能力强，还可以通过软件编程让单片机实现各种各样的逻辑功能。
通过对两种方案的对比，选用方案2。控制器选用STC89C52单片机。
3.2.2 超声波模块的选择
方案一：使用分立元件。
方案二：使用市场中流行的HC-SR04超声波模块。
方案比较：方案一，每个模块都是用分立元件搭建的，但是由于没有超声波调试的仪器，实际操作难度大，尤其后期的调试。方案二中，HC-SR04模块有着以下优点：售价低廉，质量可靠，简单方便易上手，使用在本次设计中比较适合。所以采用第二种方案。
3.2.3 其他模块的选择
整个系统的核心元件使用STC89C52单片机，搭配一些电容或者是电阻晶振等元件。而剩下的模块则是围绕单片机的最小化系统来扩展。距离式传感器是一种称为HC-SR04的超声波自动检测控制模块，其可以进行对距离的测量;显示模块被称为数码管，负责把所有被测量的距离都显示了出来;按键控制模块主要功能就是负责对报警值进行设定;报警电路可以使用蜂鸣器和led来控制完成。当一个测量数据值远远小于一个报警数据值的时候，就会自行启动报警;电源模块，通过使用5V的USB来完成供电功能。另外，使用便携式移动电源同样可以完成供电的功能。
3.3 超声波倒车雷达系统软件设计
3.3.1 主程序流程 主程序的设计思想是超声波发射器先发射一连串40 kHz的方波，然后自动检测是否有信号返回。首先进行数码管的初始化，包括数码管功能的初始化和数码管内容的初始化。然后就进入了一个无限循环的整个过程。循环中的第一个日常任务是运行超声波控制模块，根据数码管显示测量距离，然后判断测量距离是否低于设定值。如果该值低于规定值，将启动声光报警。执行完第一个日常任务后，启动按键扫描器，区分是否有按键被按下，如果有则进入设置报警值的实际操作。至此，一个循环的整个过程就完成了，再次进入循环进行下一轮的间隔检查和按键扫描。对于距离的计算可以通过计算子程序进行，如果距离小于等于1.00 m时，发光二极管发光，并在LED数码管上显示距离;如果距离小于等于0.30 m时，响铃，发光二极管发光;并在LED数码管上显示距离。
3.3.2 超声波模块程序
超声波发生子程序的作用是通过P0.2端口发送若干个超声方波脉冲信号，其频率约为40 kHz，脉冲宽度为12 μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。主程序利用为中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（P0.1引脚出现高电平），立即进入中断程序。超声波发射程序比较简单，主要包括T0断服务程序和超声波接收中断服务程序。
3.3.3 其他软件程序模块
除了超声波模块程序之外，系统的其他软件程序模块还包括显示子程序、报警子程序、按键子程序等软件模块。由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，而超声波测距仪的程序有较复杂的计算（计算距离时），所以主程序和上述子程序模块均可采用C语言编程。
4 调试与结果
4.1 通电前检查及通电观察
首先对照电路原理图检查电路中接线是否正确。在确保整个电路没有任何安装错误后，接通电源。观察电路中各个元器件是否正常地在工作。如果出现了问题，立即关闭电源。经过重重排查找到问题所在，并将其解决后，再次按着上述方法进行通电测试。
4.2 单元电路调试
动态调试是检测单元中各种指标，查看这些指标有没有符合设计要求。将获得的各种数据结果与最初设计的指标进行比较分析，以最终所得出的结论为基础，对电路以及一些参数进行一些必要的修正。
4.3 整機联调
调整了各个模块电路的参数后，还要对其整体性能做进一步测试，以便观察并准确测量动态特性。将检测结果与设计方案指标值进行比较，如果有错误，找出现有的不足并找到解决方案，直到符合实际设计方案。
5 结束语
通过设计分析，可以看出将超声波技术应用于倒车雷达系统中，可以使得倒车系统更加高效，并且成本较低，实现方案简单。
参考文献：
[1]张琛，耿标.超声波测距的原理及设计[J].科技传播，
2014（13）：217-222.
[2]王红云，姚志敏，王竹林，等.超声波测距系统设计[J]. 仪表技术，2015（11）：47-49.
[3]谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京：清华大学出版社，2016.