基于单片机的倒车雷达的设计

摘要：为降低汽车倒车时的碰撞事故，提出了一种基于单片机的超声波测距倒车雷达的设计方案。该设计根据超声波测距原理，采用AT89S 52单片机为控制核心，设计了超声波测距倒车雷达，并对测量距离误差进行了分析。测量距离为0．1～5．0m，其精度经过校正后可达1 cm。该设计结构简单、工作可靠，有良好的测量精度和灵敏度。
关键词：倒车雷达；单片机；超声波；测距

随着我国经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，公民汽车保有量大幅上升，同时也伴随着出现了诸多问题，当汽车行驶在道路狭窄的城市，像泊车、掉头这类简单的事对司机朋友们来说也成为了巨大的考验，由此造成了大量的经济损失和不必要的争执。面对如此窘境，基于超声波测距的倒车雷达登上了历史的舞台并开始造福人类。倒车雷达是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示方式，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辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。系统采用基于单片机控制的倒车雷达系统，由单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用超声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。

1 系统总体设计
1．1 系统设计思想
倒车雷达系统采用模块化设计，根据功能需要主要包括超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路以及显示电路等，各信号线与控制线都接单片机，并在其指挥下统一协调工作，如图1所示。驾驶员将手柄转到倒车档后，系统自动启动，单片机AT89S52产生短暂的40 kHz信号，经放大后通过超声波传感器输出，超声波经过障碍物反射，由超声波接收模块收集，进行放大和比较，单片机将此信号经过处理后，计算得到距离值，并将其送入显示模块，当超过一定距离触发报警电路，对驾驶员进行提示。

1．2 AT89S52单片机简介
AT89S52是一种低功耗、高性能的8位微控制器，具有8 k字节在系统可编程Flash存储器。AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，AT89S52拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：8 k字节Flash，256字节RAM，32位I／O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器／计数器，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器／计数器、串口中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
1．3 超声波传感器原理与应用
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
1)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。
2)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，需要单独的制冷设备。
3)灵敏度 主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大。灵敏度高；反之，灵敏度低。

2 硬件电路设计
2．1 超声波发射电路
单片机AT89S52编程产生40 kHz的方波，由P1．1口输出，由于信号较弱，无法直接驱动超声波发射探头，所以要再经过放大电路，才能驱动超声波发射探头发射超声波。发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本设计所选用的是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器LM386，超声波发射电路如图2所示。