基于單片機和超聲波的倒車測距儀

遼寧機電職業技術學院，遼寧丹東 118009

一、引言

汽車給生活帶來便利的同時，也出現一些不安全因素，例如倒車時發生的安全事故占總交通事故的25%。[1]

汽車倒車測距儀（以下簡稱測距儀）由單片機、超聲波傳感器、顯示模塊和語音模塊等組成。通過語音提示和顯示提醒，幫助司機了解車后情況，提高倒車安全性。超聲波測距具有成本低、精度高、可靠，使用方便、應用廣泛、實時性好等優點，完全能滿足泊車時倒車的需要[1]。

二、測距儀的原理

1、超聲波測量原理

超聲波測距采用的是非接觸式測量，具有不受光線、被測對象顏色、材質等因素影響，對環境有一定的適應能力，且操作簡單、測量精度高。

超聲波測距的方法很多，其中渡越時間檢測法實現起來簡單，成本低，可測距離范圍較大。渡越時間法超聲波測距原理圖如圖1所示。利用超聲波發射探頭（T）發出一串超聲波信號，遇到障礙物后反射返回，到達超聲波接收探頭。超聲波探頭與被測物體之間存在以下關系：

其中，s—超聲波探頭與被測物體之間的距離，單位：m；

c—超聲波在空氣中的傳播速度，單位：m/s；

t—超聲波接收時間，單位：s ；

d—被測距離，單位：m；

h—超聲波傳感器發射器與接收器之間的距離，單位：m。

這種測量方法叫渡時間法，經過比較與分析，采用這種方法作為超聲波測距方法，電路容易實現[2]。

2、超聲波傳感器

超聲波傳感器可以分成兩類，一類是電氣方式，一類是機械方式。壓電式傳感器是利用超聲波的相關特性制作而成的，它是由壓電晶片在交變電壓的作用下而產生的，具有高頻率，短波長，方向性好等特點。

壓電式超聲波發生器的原理就是壓電晶體的諧振效應。它由兩個壓電晶體片和一個共振將板組成。給一定幅值的交變電壓加至壓電晶片的兩級，這兩塊金屬極板就形成電場，有電場就存在電場力。壓電晶片處在電場中，在電場力的作用下發生形變。壓電晶片在交變電場力的作用下，發生往復的變形、振動，這就生成了超聲波，這個過程稱為逆壓電效應，也是發射超聲波的過程。

發射出去的超聲波，一部分在空氣中衰減掉了，一部分沿原路返回。由于超聲波具有一定的能量，當共振板接收到超聲波后，將壓迫于壓電晶體，產生共振，將機械能轉換為電信號，這時就是接收超聲波的過程。這時就可以稱為超聲波接收器。這種超聲波傳感器的外形及內部結構如圖2所示。

超聲波傳感器發射器與接收器有分開設計的，也有一體模塊。當超聲波在空氣中傳播時，衰減的程度跟頻率成正比，短距離測距應該選頻率高的傳感器，長距離距則可以選頻率低的傳感器。本設計應用在倒車報警系統中，屬于短距離測距，所以選取中心頻率為40kHz的超聲波傳感器測距，目標測距量程是2cm～4m，測量精度可以達到3mm。這樣傳感器方向性尖銳，避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發射和接收帶來困難[3]。

3、測量方案選擇

測量時對精度影響的因素主要有單片機計數誤差、回波時間誤差、溫度誤差、對射角引起的誤差等。針對這些因素采用高精度的單片機和晶振，增加發射脈沖的方波數量，進行溫度補償。由于倒車測距中，兩者之間的距離遠遠小于測量長度，所以對射角引超的誤差可以忽略。

采用超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有很大關系，因此需對其進行溫度補償。而溫度補償在軟件和硬件上也很容易實現。溫度對超聲波速度影響非常大，采用DS18B20進行測溫。DS18B20是一線式數字溫度傳感器，溫度測量范圍是-55℃～+125℃，可編程為9位到12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃。聲速隨溫度變化公式為：

式中，T—溫度。

三、汽車倒車測距儀的硬件電路設計

硬件電路主要分為單片機控制電路、LCD顯示電路、超聲波發射電路、超聲波檢測接收電路、按鍵電路、語音電路、電源電路等部分。系統起動后，進行測溫，然后開始測距，輸出信號驅動超聲波發射電路發射超聲波，超聲波接收電路接收反射回來的超聲波信號，再經單片機系統溫度補償計算距離，將結果送至顯示電路和語音電路[4]。系統框圖如3所示。

1、HC-SR04基本工作原理

在進行硬件設計時，超聲波發射和接收電路可以用HC-SR04模塊實現，該模塊可以提供2～400cm的非接觸式測距功能，精度可達3mm，模塊包括發射器、接收器、控制電路。本文使用該模塊進行測距。超聲波測距傳模塊的實物如圖4所示， 4個引腳分別是VCC，TRIG(觸發控制信號輸入)，ECHO(回響信號輸出)、GND。當接收端Echo接收到回波信號時，拉高電平信號，表示測距成功，同時，Echo引腳接到單片機的P3.2引腳，

模塊基本工作原理是使用單片機引腳10μs的高電平信號觸發模塊的TRIG，開始測量，模塊自動發出8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回。有信號返回時，ECHL引腳輸出一個高電平 ，通過反向器接到單片機的中斷口，高電平的時間就是從信號發射到信號返回的總時間。如果可以使用該模塊，產品可以更加小型化。

2、LCD12864液晶顯示電路

LCD12864液晶分辨率是128×64，顯示直觀、美觀，內部有中文字庫，可以直接其寫入中文顯示，避免了字符之間的互相轉換；通信方式有并行和串行，含有簡體中文字庫，有8192個16×16漢字和128個16×8點陣ASCII字符。接口方式簡單、操作指令方便。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，同時可完成圖形顯示。該液晶顯示器與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件結構還是顯示程序都簡潔得多，而且價格略低于相同點陣的圖形液晶模塊。使用8位并聯方式，通過單片機的P1口和P2口連接LCD。

3、溫度電路

溫度采用DALLAS公司生間的智能溫度傳感器DS8B20作檢測元件，測溫范圍在-55-+125℃，最高分辨率可達0.0625℃，采用單總線與單片機相連。

4、語音電路

XFS5051CE是科大訊飛推出的一款功能及集成度最高的語音合成模塊。模塊有中文或英文語言，還支持6種方言。集成了語音編解碼功能，能錄音和播放。具有編碼高效率壓縮、音效高質量、編碼低延遲等特點。語音編碼解碼速率可以選8K或16K。因此選擇它作為語音模塊。模塊通訊接口支持UART、I2C、SPI三種通訊方式。單片機通過控制語音模塊的7、8引腳，以I2C方式通信[5]，其中DAC連接語音模塊的17引腳。

5、單片機電路

MSP430系列單片機是美國德州儀器公司推出的汽車類16位超低功耗混合信號微控制器；執行速度快、高精確度，集成度高，開發方便等優點。

單片機的電源電壓在1.8V～3.6V，2.2V/1MHz時的電流只有270μA。單片機工作頻率最高可達16MHz，指令周期只有62.5ns，也可使用內部數字振蕩器(DCO)或外接32768Hz低速晶體，可以在高性能和低功耗之間選擇。片上1個10位的A/D轉換器，2個16位定時器，4個8位I/O端口，其中P1，P2口有中斷能力。有多種SPI，串行口、I2C總線接口。擁有32KB閃存，1KB內存，支持JTAG編程和仿真調試[2]。

四、汽車倒車測距儀的軟件設計

軟件設計主要由主程序、超聲波發射子程序、超聲波接收子程序、顯示子程序、報警程序、鍵盤程序及語音程序組成。

超聲波主程序流程圖如圖5所示。主程序用于設置定時器的初值和工作方式等之后，調用超聲波發生子程序發出多個超聲波脈沖。一旦接收到返回超聲波信號，立即進入超聲波接收子程序，取出時間值。然后在主程序中，判斷是否溢出，沒有溢出并調用顯示和語音子程序，如果達到報警值還會觸發聲光報警。

超聲波發射子程序的作用是通過單片機MSP430引腳發送20μs的高電平觸發信號，然后HC-SR04模塊開始發射8個40kHz的超聲波信號，檢測到有返回信號后停止發射返回。

利用外部中斷0檢測返回的超聲波信號是否結束。當ECHO引腳為同高變低時，說明從到發射信號到返回信號一個過程結束。馬上引起外部中斷0，在中斷中讀取時間t中斷返回。

主程序中開始測溫度，進行溫度補償計算，并計算出相應距離。如果超過報警值，啟動聲光報警。然后開始LCD顯示和語音播放。再一次循環測量，直到用戶關閉測距儀。

在測量過程中，通過對MSP430單片機的設置，使用看門狗程序，當出現程序跑飛和死機的現象時，馬上重啟測距儀。

五、實驗數據

在室溫下，分別在距2cm，3cm，5cm，20cm，30cm，50cm，1m，2m，2.5m，3.5m，4m，5m 處 放置超聲波反射擋板，每一位置連續測量10組數據。利用測量的數據，檢驗波測距的盲區及最大測量距離。實驗結果表明，本系統對于小于2cm的測量距離，由于會造成超聲波的多次反射，無法測量，2cm以下為測距儀的盲區。4m內精度為3mm。在距離5m左右的位置，由于超聲波回波信號微弱，系統檢測精度不夠，實際值與測量值之間的偏差在2cm左右。

六、結束語

整個測距儀的硬件以MSP430單片機為核心，超聲波發射和收發部分用了一體化的模塊HC-SR04實現，抗干擾性極強，可靠性高。使用了溫度補償，提高了測量精度。測距儀能在司機泊車倒車時，能以語音、顯示方式或聲光報警多種方式，提示后方障礙物的存在，可作為泊車時的倒車雷達使用。系統精度高，體積小，結構簡單，使用方便，滿足了倒車測距的準確性和應用性，減少了倒車事故的發生，提高了安全性。作為單片機實訓項目，讓學生真正看到單片機在現實生活的實際應用，提高學生的實踐能力、分析問題能力和創新能力。