基于单片机的倒车雷达测距系统研究

杜侠 焦国太 秦栋泽 张树云 梁震

1、山西中北大学机电工程学院 2、山西中煤平朔集团有限公司

引言

目前，交通运输车辆不断增多，所产生的交通问题也日益突出，其中倒车碰撞事故占有很大一部分比例。作为一种提高车辆驾驶安全性的重要设备——倒车雷达，得到了人们普遍的使用。本文设计的倒车雷达测距系统是利用超声波测距原理设计而成的，相比于热感应测距和红外线测距，其使用更加方便，且测距精准，原理简单，价格低廉，具有更大的集成开发空间。

1 电路设计的整体思路

整个倒车雷达预警系统采用模块化设计，具体分为单片机最小系统、电机驱动模块、超声波测距模块、危险警示模块和稳压电源模块五大部分。通过相关的硬件测试和软件调试，实现了倒车雷达危险预警等显示功能。

整体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2 硬件电路设计

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统是指用最少的元器件组成的单片机可以基本工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路和复位电路。

2.1.1 晶振电路

单片机最小系统中的晶振电路，全称为“晶体振荡电路”，一般由晶振和部分电容构成。本次系统的晶振电路使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只需要连接一个晶振和两个瓷片电容即可，电容容量一般在15pf至50pf之间，如图2所示。

图2 晶振电路

2.1.2 复位电路设计

为了兼顾自动复位和手动复位的要求，本设计将该系统的上电复位电路和手动复位电路结合在了一起，实现了单片机启动运行时的自动复位操作和特殊情况下用户的手动复位操作。需注意的是，复位操作不影响片内RAM的内容。单片机最小系统的电源入口处，并联一个100uf的电解电容和一个0.1uf的瓷片电容，用来滤波，以清除影响其正常工作的有害信号。系统的复位电路如图3所示。

图3 系统的复位电路

2.2 电机驱动模块

由于单片机的驱动能力很弱，所以本系统采用L298N驱动芯片来驱动电机。为保证小车具有强劲的动力，采用了两个L298N芯片来分别驱动小车左右两个电机。并且选用8个整流二极管IN4007组成该电路释放感生电流的通道，对整个驱动电路起到过流保护的作用。如图4所示。

2.3 超声波测距模块

本设计采用HC-SR04型超声波传感器作为系统的超声波收发装置，该测距模块具有2～400cm的非接触式距离感测能力，测距精度可达到3mm。该模块上电后，单片机引脚输出高电平给控制信号输入端TRIG至少10μs的时间，模块将发送一组8个40KHz的方波信号，并将回波信号输出端ECHO电平置高，同时，自动检测是否有信号返回，若有信号返回，则回路信号输出端ECHO输出低电平，所以高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。单片机通过对该时间的测量，就可以测算出超声波传感器与障碍物之间的距离，计算公式为：

其中S为距离；t为高电平持续时间；v为声速（340m/s）。

2.4 危险警示模块设计

系统的声光报警元器件采用发光二极管和蜂鸣器。考虑到单片机的驱动能力很弱，所以还需要设计一个蜂鸣器驱动电路，用三极管S8550来放大电流使其发声，电路如图5所示。

图5 蜂鸣器驱动电路

2.5 稳压电源模块设计

系统采用额定电压为12V的充电电池作为电源，并且分为两部分进行供电，一部分以12V电压提供给L298N芯片输出以驱动电机转动，另一部分经过降压稳定在5V，以提供给各个模块正常工作。在芯片的输入、输出与地之间接入大小不同的三个滤波电容C1、C2、C3以输出标准的5V电压保证7805芯片工作稳定需要，如图6所示。

图6 LM7805 芯片稳压电路

3 系统的软件设计

分析该倒车雷达测距系统工作过程，软件要实现的功能包括以下几个方面：

（1）使用PWM脉冲宽度调制的方法来控制小车的移动（电机的转速）；

（2）触发超声波测距模块产生超声波，并检测回波信号输出端的实时信号；

（3）通过回波信号计算车体与障碍物之间的距离值；

（4）通过液晶屏1602A来显示该距离值；

（5）触发危险警示模块发出声光报警。

系统程序流程如图7所示。

图7 系统程序流程图

4 结论

本文对系统的设计方案进行了论证，详细地介绍了各个模块的功能、组成及其工作原理，并阐述了整个软件编写的程序内容。虽然倒车雷达测距系统给我们带来了很大的方便，但是因为雷达探测存在盲区，也会给驾驶人员带来一些不可避免的困难。所以在未来倒车雷达系统的研制方面，要更大程度地利用科学技术，对于低矮的障碍物，要增大探头的探测角度，实现车后全方位的探测，对于过于细小的障碍物，要增强系统对较小反射信号的捕捉能力，以最大程度地帮助驾乘人员倒车泊位，保证驾驶的安全性。

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