基于單片機的倒車(chē)雷達設計

摘要：在此設計了一種基于單片機的倒車(chē)雷達系統，該系統采用超聲波傳感器將40 kHz的機械波發(fā)射到空氣中，經(jīng)障礙物反射后被超聲波傳感器接收，對接收后的信號進(jìn)行放大，并對其進(jìn)行信號處理。最后將處理后的信號輸入到單片機中，通過(guò)單片機的顯示器輸出距離，并比較輸出距離與1 m，0．5 m的關(guān)系，分別發(fā)出不同的警報，即通過(guò)單片機及其外圍部件測量車(chē)和障礙物間的距離，最終實(shí)現引導駕駛員倒車(chē)的功能。經(jīng)測試，該系統具有精確度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：超聲波；STC89c51；報警系統；倒車(chē)

0 引言
超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械震蕩，由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等到優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于測量距離。本課題研究超聲波在空氣中傳播速度為340 m／s，運用超聲波進(jìn)行距離的檢測，誤差小，成本也低，具有實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設計
本文設計的倒車(chē)雷達系統原圖如圖1所示。

硬件主要有超聲波發(fā)射和接收電路，單片機處理電路，顯示電路和警報電路。
1．1 超聲波發(fā)射電路
通過(guò)單片機產(chǎn)生40 kHz的脈沖，經(jīng)過(guò)三級放大器后傳遞給超聲波發(fā)射傳感器，超聲波發(fā)射傳感器采用CSB40T，傳感器將接收到的脈沖信號經(jīng)過(guò)內部振蕩器轉化為機械波在空氣中傳播。超聲波是指頻率高于20 kHz的機械波。發(fā)射和接收超聲波的裝置叫作超聲波傳感器。超聲波傳感器利用壓電效應將電能和超聲波進(jìn)行轉化，發(fā)射超聲波時(shí)轉化電能，接收超聲波時(shí)，將振動(dòng)的超聲波轉化為電信號。
單片機P1．0產(chǎn)生40 kHz的脈沖，脈沖寬度為12．5μs，把脈沖波傳出的同時(shí)打開(kāi)To計時(shí)器，計算超聲波在空氣中的時(shí)間。通過(guò)定時(shí)器1產(chǎn)生40 kHz的脈沖，用示波器測來(lái)決定定時(shí)器的初始值。脈沖經(jīng)由74HC04放大后傳給CSB40T傳感器，74HC04具有對稱(chēng)的傳輸延遲和轉換時(shí)間，是一個(gè)高速CMOS六反相器，CSB40T就把超聲波發(fā)射出去。
1．2 超聲波接收電路
超聲波以機械波的形式傳播，而單片機只能處理脈沖波，所以超聲波經(jīng)過(guò)接收傳感器后既要通過(guò)放大又要經(jīng)過(guò)整流。超聲波接收電路包括超聲波傳感器，放大器，濾波整形等電路。
空氣中的超聲波能量低所以要經(jīng)過(guò)放大后才不會(huì )被噪聲淹沒(méi)，所以放大器增益要夠大并且增益可調，而超聲波接收傳感器型號要與發(fā)射探頭一致，這樣會(huì )選擇性的接收40 kHz機械波，從而濾除其他頻率的噪聲。整形電路就是將接收到的機械波通過(guò)比較器轉化為單片機可接受的脈沖波，用脈沖波的第一個(gè)上升沿去接D觸發(fā)器的時(shí)鐘，這樣就可以將觸發(fā)器的Q的非接單片機的外部中斷，外部中斷設置為下降沿觸發(fā)，這樣就把車(chē)與障礙物之間的傳播時(shí)間測出來(lái)了。放大器采用通用的LM324，每一級放大倍數為10，比較器采用LM393。LM324系列器件為價(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運算放大器，采用2個(gè)內部補償，二級運算放大器，第一級不僅完成增益功能，還完成電平移動(dòng)和減小跨導的功能。而且，單電源模式下無(wú)論是輸入器件還是差動(dòng)到單端變換器都不會(huì )飽和，第二級含標準電流源負載放大器級。圖2為一級放大器。

LM393是由2個(gè)獨立的高精度電壓比較器的集成電路，失調電壓低，無(wú)論電源大小，電源消耗的電流都很低，即使是單電源供電，比較器的共模輸入電壓范圍接近地電平。它具有的獨特的優(yōu)點(diǎn)是，雙電源供電時(shí)，它能兼容CMOS邏輯電路。具有成本低優(yōu)點(diǎn)。本文采用方案一。圖3為比較整流器。

1．3 報警電路
采用常用的蜂鳴器，如果計算出的距離小于1 m大于0．5 m時(shí)，蜂鳴器間斷性的發(fā)出滴滴聲，當距離小于0．5 m時(shí)，蜂鳴器連續的響，以提示駕駛員倒車(chē)時(shí)注意間距。也可以采用自動(dòng)語(yǔ)音電路，但如果僅僅起到報警功能的話(huà)，有不同的警報聲就可以了。該方案不僅可以達到預想功能，還有電路簡(jiǎn)單、成本低、易編程等優(yōu)點(diǎn)。
1．4 顯示電路
使用2個(gè)數碼管，當距離在0．5 m和1 m之間時(shí)顯示11，距離小于0．5 m時(shí)顯示00。數碼管簡(jiǎn)單實(shí)用，編程簡(jiǎn)單，成本低。數碼管位選接在P2．0和。P2．1口，段選接在P0．0～P0．7口。使用上拉電阻驅動(dòng)。選用共陰極。本文采用方案一。
1．5 單片機介紹
STC89C51有4組8位的并行I／O口，RAM為128 B，4 KB的FLASH，片內程序存儲器外部可擴展到64 KB。1個(gè)全雙工的串行口。5個(gè)中斷源，(順序分別為：外部中斷0，外部中斷1，定時(shí)器0，定時(shí)器1，串行中斷)，2個(gè)中斷優(yōu)先級，2個(gè)16位的定時(shí)／計數器(有4種工作方式)。本文使用外部中斷零和定時(shí)器0和1。定時(shí)器1中斷時(shí)P1．0口就反相，結果輸出所需的脈沖。定時(shí)器0用來(lái)記錄脈沖發(fā)射到脈沖接收到的時(shí)間。單片機不斷檢測外部中斷0，一有中斷即表示已接收超聲波。定時(shí)器有4種工作方式，本文采用方式2，即M1，M0為10。定時(shí)器為自動(dòng)恢復初值的8位定時(shí)器。即當TLx計數溢出時(shí)，在溢出標志TFx置1的同時(shí)，還自動(dòng)將THx中的初值送至TLx，使TLX從初值開(kāi)始重新計數。并且當有溢出標志置1時(shí)，定時(shí)器就進(jìn)入中斷。定時(shí)器1進(jìn)入中斷后，P1．0反轉，定時(shí)器0進(jìn)入中斷后，時(shí)間加一周期。單片機晶振為11．1592 MHz，一個(gè)指令周期約為1μs，40 MHz的脈沖一周期為25μs。所以通過(guò)設置定時(shí)器的初值用示波器測出產(chǎn)生的脈沖周期。

2 軟件設計
軟件設計模塊化，由超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收子程序、數碼管顯示子程序、警告子程序、距離計算子程序及主程序組成。算法框圖如圖4所示。C語(yǔ)言具有移植性好等優(yōu)點(diǎn)。本文采用C語(yǔ)言編程，Keil軟件編譯，Protues或Prote199se畫(huà)圖。先初始化，定義位聲明等，發(fā)射超聲波時(shí)打開(kāi)定時(shí)器，檢測到超聲波時(shí)先關(guān)閉定時(shí)器，關(guān)閉中斷以防止嵌入中斷下擾，調用距離測量子程序，若距離在危險距離時(shí)顯示系統就工作并且打開(kāi)警報系統，然后讓中斷恢復。

3 系統仿真過(guò)程
(1)單片機產(chǎn)生40 kHz脈沖產(chǎn)生了周期為25μs左右的脈沖波。單片機產(chǎn)生40 kHz的方波如圖5所示。

(2)接收的波經(jīng)過(guò)比較器后為脈沖波，最終單片機要接收的信號如圖6所示。

4 結語(yǔ)
本文使用超聲波的速度為340 m／s，超聲波傳播的速度與溫度有關(guān)，本文沒(méi)有用溫度傳感器實(shí)時(shí)的測量空氣溫度；超聲波發(fā)射時(shí)會(huì )留有余波，所以在超聲波發(fā)射的同時(shí)就打開(kāi)定時(shí)器記錄時(shí)間可能會(huì )受余波的影響，會(huì )導致計算距離誤差。
該系統是基于8051單片機，利用超聲波進(jìn)行距離檢測的設計，通過(guò)超聲波在空氣中的傳播速度和所用時(shí)間測出車(chē)與障礙物間的距離，當車(chē)與障礙物之間的距離小于一定值時(shí)警報系統就會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，而且不同距離的警報聲是不同的。警報響的同時(shí)數碼管顯示大致的距離，提示駕駛員倒車(chē)注意，預防可能出現的摩擦或碰撞，減小可能存在的倒車(chē)隱患。該設計具有精確度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。