泊车用超声波测距仪的研制

摘要：本文论述了采用单片机技术研制成功的泊车用超声波测距仪的基本原理，测量计算方法，实现方案。采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。实际使用表明，极大的提高了泊车时的安全性。

Development of Ultrasonic Range Finder for Parking

Abstract: This paper describes the basic principle of the ultrasonic range finder for parking which is developed by adopTIng microprocessor technology. MathemaTIcs model of measurement and calculaTIon as well as realizaTIon methods is also discussed. Software calibration method is used to increase measuring accuracy and reliability. Actual application shows that the security is greatly insured when parking.

Keywords: Ultrasonic Range-finding Microprocessor

一、前言

随着生活水平的不断提高，汽车进入家庭的消费意识的不断增强。中国城市汽车的保有量迅速增加。随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。发展智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向。智能交通系统（ITS）在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率。保障交通安全，缓解交通堵塞，改善城市环境等方面的卓越效能，已得到各级政府的广泛关注。中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。本文论述的泊车用超声波测距仪开发着眼于倒车防护，能够实现倒车时有效的避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人。有效避免由于倒车造成的经济损失和人身安全问题。国外高级轿车在汽车出厂时就已经安装了同类系统。

二、系统组成和实现指标

系统由三大部分组成，（1）、两路收发同体的空气超声探头，实现汽车尾部左后和右后的障碍物探测。（2）、单片机组成的控制电路和超声波发射接收电路。（3）、距离显示电路和声光报警电路。

本系统实现了下列技术指标；两路超声定位，数码显示距离，语音提示距离范围，排数码管显示距离范围。

具体指标是：Ⅰ 两路超声定位，每路探测范围角14o

Ⅱ 三位数码管距离显示

Ⅲ 四段语音距离范围提示，红绿蓝数码管距离显示

Ⅳ 探测距离0.25m—1.5m

Ⅴ 工作温度-20—60℃

Ⅵ 测量分辨率1cm，误差小于0.5%。

本测试仪测量精度高，提示方式多样化，可满足不同工作环境的客观需要。

三、硬件电路组成及工作原理

3．1 控制芯片

 

采用AT89C2051作为控制器，在小型智能仪器中使用，性价比高。指令系统和8031完全兼容，除没有P0、P2口外，具有8031所有功能结构，用其构成的测量控制系统具有电路简单、可靠性高、体积小；控制和发射接收电路体积为 ，硬件组成框图如图一所示；

单片机的P1.4、P1.5口编程为输出口，交替输出40KHz方波，持续时间为0.2ms，每隔19.8ms左右再发下一次，即两路超声的重复频率为。常温下超声在空气中的传播速度为340米/秒，这样决定了仪器的最大探测距离是 。而实际情况是，由于指令运行需要时间，且当一路发射接收完毕，程序要送一次显示。则当重复频率约为50Hz时，最大探测距离为1.5m。P1.4、P1.5口波形如图二所示。P1.6、P1.7编程为输入口，相应接收两路超声回波。

 

P3.2-P3.5编程为输出口，P3.2-P3.4控制ISD1110语音芯片的语音数据段，P3.5控制何时放音。

显示采用动态扫描，利用串行口RXD、TXD串行发送显示数据，P1.0-P1.3发送显示位。由于P1.0和P1.1无内部上拉电阻，应用中应分别外接上拉4.7K的电阻。

电路采用了MAX810复位专用芯片。由于汽车上供电采用直流12V。蓄电池和发电机并联。恶劣的工况下（如发动机启动过程中），电压降至6V左右。单片机的电源取自车载的12V，这样对单片机的正常运行将是一种严重的干扰，程序会跑非。MAX810可以很好的解决这一问题。其功能就是监控单片机的供电电压；当供电电压低于一个设定的阈值时，MAX810复位并在供电电压恢复到阈值以上时延续140ms。这样可以很好的解决单片机供电电压不稳对单片机造成的干扰。

3.2、超声发射接收电路

 

两路发射接收电路组成结构完全相同，轮番工作。两路电路结构完全相同。原理如图三所示；

3.2.1、发射电路

由于单片机P1口作为IO口使用时能提供20mA的灌电流能力，而吸电流能力小，所以外接一个NPN管来提高其输出电流的能力。保证40KHz的脉冲信号有一定的功率。

3.2.2、接收电路

接收电路由前置放大；带通滤波放大；回波整形及二值化。前置放大实现小信号有效放大，提高整个放大电路的输入阻抗。本电路设计了两级二阶无限增益反馈带通滤波放大，中心频率为40KHz；第一级的增为A1=-120，第二级的增益A1=-320，保证把微伏级的信号放大到伏级供整形和二值化处理。整形、二值化电路完成的功能是先把回波信号检波，变成单一极性的信号；二值化即一位A/D，设置阈值电平，把模拟回波变成电平信号输入到P1.6。

3.3、语音报警电路

 

 

语音报警作为测量仪器的输出是一种很直观、易懂的形式，人机界面友好，考虑到驾驶员在倒车时一般无暇估计车上的仪表，注意力在车的后方，故设计时采用了语音报警。语音技术产品目前市场上品种很多，本电路采用是ISD公司的ISD1110语音芯片，芯片采用了（DAST）直接模拟存储技术，集程度高。录放音时间10秒，分80段，微机控制可灵活组合，输出需要的语音信号。应用中应要求自制开发系统，利用PC的并行口，将语音录制到芯片中，连接到系统中。共录制了4段，分别是；“1.5米区”；“1米区”；“0.5米区”；“极限警示音乐报警”。依据测量距离的大小定时播放相应的语段。如测量结果为0.8米，报“1米区”。控制电路接口如图四所示；ISD1110的A3、A4、A5选择报警语段，PLAYE接P3.5，下降沿触发放音。

3.4、显示电路

除了声音报警之外，光报警是另一种有效的报警方式。设计中光报警有两种形式。三个数码管显示当前测试距离（单位mm），超量程显示“- - -”，倒车离障碍物距离小于25mm显示“SOS”闪烁，语音播放警示音乐。排数码管有两红、两绿、两蓝，显示相对距离，当测量值大于1米范围，至多两绿管亮；当测量值大于0.5米，两绿管亮，至多两黄管亮；测量值大于0.3米，两绿两黄管亮，至多两红管亮。排数码管显示测试距离的相对值，距离越近，数码管亮的位数越多。

电原理图见图五，用RXD串行输出显示数据，TXD输出同步脉冲，一片164将串行数据转换为并行数据，用P1.0­­-P1.3输出作为位控，轮流点亮数码管和发光管排。由于P1.0、P1.1没有上拉电阻，在作为IO口使用中要接4.7k的上拉电阻，为了增加驱动能力，位控加接一片MC1413。

四、软件设计

 

 

程序由主程序（图六）和中断服务程序（图七）及显示子程序（图八）组成。用定时器T0定时10ms，定时开始的同时向P1.4发40KHz脉冲，查询P1.6是否有回波，有回波则由T0定时时间t和声速V可得 （m）；若10ms已到而无回波则T0定时溢出中断，在T0中断服务子程序中，向显示缓存中写显示“---”，并设置了一个标志位，判断标志位来确定服务子程序的出口，并在返回前更新标志位。标志位的作用是保证P1.4、 P1.6；P1.5 、P1.7轮流发送接收。显示采用动态扫描，主程序每完成一路的发送接收，送一次显示，每次显示启动串行口四次，并置相应的显示位为低。同时根据测量结果播放相应的提示语段。

五、抗干扰措施

汽车在工作时由于高压电火，对外有很强的电磁辐射，电磁环境恶劣。故在硬件及软件方就抗干扰问题都进行了考虑；

硬件方面超声的接收在前级是小信号，传感器的连接采用质量好的单芯屏蔽线，保证小信号的可靠传输，在信号的放大级采用两级带通滤波，滤去高频和低频干扰。数字部分和模拟部分的电源分开供电。控制器盒用金属外壳，对外电磁场进行屏蔽。软件利用粗大值剔除法，每路测量结果三次为一组，先剔除粗大值，后平均得出送显示的测量结果。采用三次平均是考虑到测量的实时性。因倒车过程中，不是很关心离障碍物的精确距离；而是有没有障碍物，离车尾多远。实践证明这些措施取得了良好的效果。

六、结论

本仪器已经装车使用，实现了预定的目标。在倒车过程当中，实现了对汽车尾部左后、右后1.5米以内障碍物和突然闯入危险区域内的行人的自动探测，并告警、提示司机采取措施。对于新司机来说其作用更加明显，在倒车过程中做到心中有数，极大的提高了倒车时的安全性。