停车用超声波测距仪的研制

停车场用超声波测距仪的研制

摘要: 本文介绍了采用微处理器技术开发的用于停车的超声波测距仪的基本原理。 还讨论了测量和计算的数学模型以及实现方法。 软件校准方法用于提高测量精度和可靠性。 实际应用表明，停车时的安全性得到了极大的保障。

关键词: 超声波测距微处理器

随着生活水平的不断提高，汽车进入家庭的消费意识日益增强。 中国城市汽车保有量迅速增加。 因此，交通事故与日俱增，尤其是在城市。 智能交通系统的发展是21世纪交通的重要发展方向。 智能交通系统 (ITS) 正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、缓解交通拥堵、改善城市环境的卓越效能，受到各级政府的广泛关注。 中国政府也高度重视信息技术的研究、开发、推广和应用。 本文讨论的重点是倒车保护，它可以有效地避开可能对倒车造成伤害的障碍物和行人。 有效避免倒车造成的经济损失和人身安全问题。 国外高端车出厂时已经安装了类似的系统。

该系统由三部分组成 :( 1) 两个具有相同收发器的空气超声波探头，用于检测汽车尾部左右后部的障碍物。 (2) 控制电路由单片机和超声波发射接收电路组成。 (3) 距离显示电路和声光报警电路。

该系统实现了以下技术指标; 双向超声波定位、数字显示距离、语音提示距离范围、排数码管显示距离范围。

具体指标如下: 一. 两个通道的超声波定位，每个通道的检测范围角为14o

二三位数码管距离显示

III四段语音距离范围提示，红绿蓝数码管距离显示

工作温度:-20-60

测量分辨率1厘米，误差小于0.5%。

该测试仪测量精度高，提示方式多样化，能满足不同工作环境的客观需要。

3硬件电路组成及工作原理

3.1控制芯片

AT89C2051用作小型智能仪器中的控制器，具有很高的性价比。 该指令系统与8031完全兼容。 除P0和P2端口外，它具有8031的所有功能结构。 其组成的测量控制系统具有电路简单、可靠性高、体积小的优点; 控制和发射接收电路的体积为，硬件组成框图如图1所示;

单片机的P1.4和P1.5端口被编程为输出端口，交替输出40khz的方波，持续时间为0.2ms，每19.8ms再次发送一次，即超声两个通道的重复频率为。 室温下超声波在空气中的传播速度为340 m/s，这决定了仪器的最大检测距离。 实际情况是，因为指令需要时间来运行，并且当所有的发送和接收都完成时，程序会发送一个显示。 当重复频率约为50hz时，最大检测距离为1.5m。 P1.4和P1.5端口的波形如图2所示。 P1.6和P1.7被编程为输入端口，以相应地接收两个超声回波。

P3.2-p3.5编程为输出端口，p3.2-p3.4控制isd1110语音芯片的语音数据段，p3.5控制何时播放。

显示器采用动态扫描，串行端口RXD和TXD用于发送显示数据，p1.0-p1.3用于发送显示位。 由于P1.0和P1.1没有内部上拉电阻，应用时应分别连接外部上拉电阻4.7K。

电路采用max810复位专用芯片。 因为车辆上的电源采用直流12V。 电池和发电机并联。 在恶劣的工作条件下 (例如在发动机启动期间)，电压下降到约6V。 单片机的电源取自车辆的12v，这将严重干扰单片机的正常运行，程序将运行。 Max810可以解决这个问题。 其功能是监测单片机的电源电压，当电源电压低于设定的阈值时，max810复位并继续140ms，当电源电压返回到阈值以上。 这样可以很好地解决单片机电源电压不稳定造成的干扰。

3.2超声波发射和接收电路

两个发射和接收电路结构相同，轮流工作。 这两个电路具有相同的结构。 原理如图3所示;

3.2.1发射电路

由于单片机的P1端口作为IO端口时可以提供20mA的电流填充能力，并且电流吸收能力小，因此外部连接NPN管以提高其输出电流能力。 确保40khz脉冲信号具有一定的功率。

3.2.2接收电路

接收电路由前置放大器; 带通滤波器放大; 回波整形和二值化组成。 前置放大器可以有效地放大小信号，提高整个放大电路的输入阻抗。 在该电路中，设计了两级二阶无限增益反馈带通滤波器放大，中心频率为40KHz; 第一级的增加量为A1 =-120，第二级的增益为A1 =-320，这确保了微伏信号被放大到伏级进行整形和二值化。 整形和二值化电路的功能是将回波信号检测为单极性信号; 二值化，即 一位a/D，设置阈值电平，将模拟回波转换为电平信号并将其输入到p1.6。

3.3语音报警电路

作为测量仪器的输出，语音报警是一种非常直观且易于理解的形式，人机界面友好。 考虑到驾驶员在倒车时一般没有时间估计车辆上的仪表，并且注意车辆后部，所以在时机上采用了语音报警。 目前，市场上有多种语音技术产品。 该电路采用ISD公司的isd1110语音芯片，芯片采用 (DAST) 直接模拟存储技术，集成度高。 录制和播放时间为10秒，分为80个部分。 微电脑控制可以灵活组合，输出所需的语音信号。 在应用中，需要自制的开发系统，并将语音记录到芯片中，并使用PC的并行端口连接到系统。 总共记录了4个片段，分别是; “1.5m区”; “1m区”; “0.5m区”; “极限警告音乐警报”。 根据测量的距离定期播放相应的段落。 如果测量结果为0.8m，则报告 “1m区域”。 控制电路接口如图4所示; isd1110的A3、A4和A5选择报警段，play连接到p3.5，下降沿触发回放。

3.4显示电路

除了声音报警，光学报警是另一种有效的报警模式。 设计中有两种形式的光学报警器。 三个数码管显示当前测试距离 (单位: mm)，超范围显示 “---”，反向到障碍物的距离小于25毫米，显示 “SOS” 闪烁，语音播放警告音乐。 排的数码管有两个红色，两个绿色和两个蓝色，显示相对距离。 当测量值大于1m时，最多两根绿色管开启; 当测量值大于0.5m时，两根绿色管开启，最多两根黄色管开启; 当测量值大于0.3m时，两个绿色和两个黄色的管打开，最多两个红色的管打开。 行数码管显示测试距离的相对值。 距离越近，数码管点亮的数字越多。

电气原理图如图5所示。 RXD串行输出用于显示数据，TXD输出同步脉冲，一块164用于将串行数据转换为并行数据-P1.3输出作为位置控制，打开数码管和发光二极管行。 由于P1.0和P1.1没有上拉电阻，当它们用作IO端口时，应连接4.7K上拉电阻。 为了增加驱动能力，在位置控制中增加了一个mc1413。

该程序由主程序 (图6) 、中断服务程序 (图7) 和显示子程序 (图8) 组成。 使用定时器T0 10ms，在定时开始时向P1.4发送40khz脉冲，以查询p1.6中是否有回声。 如果有回声，则可以从t0定时时间t和声速V (m) 获得; 如果10ms已经到达没有回声，则t0定时溢出中断。 在t0中断服务子程序中，将显示 “---” 写入显示缓冲区，设置一个标志位，判断该标志位以确定服务子程序的退出，并在返回之前更新该标志位。 flag bit的作用是保证P1.4和P1.6; P1.5和P1.7依次发送和接收。 显示器采用动态扫描。 主程序每次完成一个频道的发送和接收时，都会发送一个显示器。 每个显示器启动串口四次，相应的显示位设置为低。 同时，根据测量结果播放相应的提示段。

汽车工作时，由于高压电火，有很强的电磁辐射，电磁环境恶劣。 因此，硬件和软件都考虑了抗干扰问题;

在硬件方面，超声波接收是前级的小信号。 传感器采用优质单芯屏蔽线连接，确保小信号的可靠传输。 在信号放大阶段，采用两级带通滤波来滤除高频和低频干扰。 数字部分和模拟部分的电源分别提供。 控制箱使用金属外壳屏蔽外部电磁场。 软件采用总值消除法，每次测量结果为一组三次。 首先，消除总值，然后获得发送到显示器的平均测量结果。 三次平均的使用考虑了测量的实时性能。 倒车时，我不太关心离障碍物的确切距离; 就是是否有障碍物，离汽车后部有多远。 实践证明，这些措施取得了良好的效果。

仪器已经投入使用，达到了预定目标。 在倒车过程中，实现了对汽车左后方、右后方1.5米范围内的障碍物和行人突然闯入危险区域的自动检测，并报警提示驾驶员采取措施。 对于新司机来说，它的作用更加明显。 他们在倒车的过程中很了解，这大大提高了倒车时的安全性。