基于单片机和超声波的倒车测距仪

辽宁机电职业技术学院，辽宁丹东 118009

一、引言

汽车给生活带来便利的同时，也出现一些不安全因素，例如倒车时发生的安全事故占总交通事故的25%。[1]

汽车倒车测距仪（以下简称测距仪）由单片机、超声波传感器、显示模块和语音模块等组成。通过语音提示和显示提醒，帮助司机了解车后情况，提高倒车安全性。超声波测距具有成本低、精度高、可靠，使用方便、应用广泛、实时性好等优点，完全能满足泊车时倒车的需要[1]。

二、测距仪的原理

1、超声波测量原理

超声波测距采用的是非接触式测量，具有不受光线、被测对象颜色、材质等因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高。

超声波测距的方法很多，其中渡越时间检测法实现起来简单，成本低，可测距离范围较大。渡越时间法超声波测距原理图如图1所示。利用超声波发射探头（T）发出一串超声波信号，遇到障碍物后反射返回，到达超声波接收探头。超声波探头与被测物体之间存在以下关系：

其中，s—超声波探头与被测物体之间的距离，单位：m；

c—超声波在空气中的传播速度，单位：m/s；

t—超声波接收时间，单位：s ；

d—被测距离，单位：m；

h—超声波传感器发射器与接收器之间的距离，单位：m。

这种测量方法叫渡时间法，经过比较与分析，采用这种方法作为超声波测距方法，电路容易实现[2]。

2、超声波传感器

超声波传感器可以分成两类，一类是电气方式，一类是机械方式。压电式传感器是利用超声波的相关特性制作而成的，它是由压电晶片在交变电压的作用下而产生的，具有高频率，短波长，方向性好等特点。

压电式超声波发生器的原理就是压电晶体的谐振效应。它由两个压电晶体片和一个共振将板组成。给一定幅值的交变电压加至压电晶片的两级，这两块金属极板就形成电场，有电场就存在电场力。压电晶片处在电场中，在电场力的作用下发生形变。压电晶片在交变电场力的作用下，发生往复的变形、振动，这就生成了超声波，这个过程称为逆压电效应，也是发射超声波的过程。

发射出去的超声波，一部分在空气中衰减掉了，一部分沿原路返回。由于超声波具有一定的能量，当共振板接收到超声波后，将压迫于压电晶体，产生共振，将机械能转换为电信号，这时就是接收超声波的过程。这时就可以称为超声波接收器。这种超声波传感器的外形及内部结构如图2所示。

超声波传感器发射器与接收器有分开设计的，也有一体模块。当超声波在空气中传播时，衰减的程度跟频率成正比，短距离测距应该选频率高的传感器，长距离距则可以选频率低的传感器。本设计应用在倒车报警系统中，属于短距离测距，所以选取中心频率为40kHz的超声波传感器测距，目标测距量程是2cm～4m，测量精度可以达到3mm。这样传感器方向性尖锐，避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难[3]。

3、测量方案选择

测量时对精度影响的因素主要有单片机计数误差、回波时间误差、温度误差、对射角引起的误差等。针对这些因素采用高精度的单片机和晶振，增加发射脉冲的方波数量，进行温度补偿。由于倒车测距中，两者之间的距离远远小于测量长度，所以对射角引超的误差可以忽略。

采用超声波在空气中的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿。而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现。温度对超声波速度影响非常大，采用DS18B20进行测温。DS18B20是一线式数字温度传感器，温度测量范围是-55℃～+125℃，可编程为9位到12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。声速随温度变化公式为：

式中，T—温度。

三、汽车倒车测距仪的硬件电路设计

硬件电路主要分为单片机控制电路、LCD显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、按键电路、语音电路、电源电路等部分。系统起动后，进行测温，然后开始测距，输出信号驱动超声波发射电路发射超声波，超声波接收电路接收反射回来的超声波信号，再经单片机系统温度补偿计算距离，将结果送至显示电路和语音电路[4]。系统框图如3所示。

1、HC-SR04基本工作原理

在进行硬件设计时，超声波发射和接收电路可以用HC-SR04模块实现，该模块可以提供2～400cm的非接触式测距功能，精度可达3mm，模块包括发射器、接收器、控制电路。本文使用该模块进行测距。超声波测距传模块的实物如图4所示， 4个引脚分别是VCC，TRIG(触发控制信号输入)，ECHO(回响信号输出)、GND。当接收端Echo接收到回波信号时，拉高电平信号，表示测距成功，同时，Echo引脚接到单片机的P3.2引脚，

模块基本工作原理是使用单片机引脚10μs的高电平信号触发模块的TRIG，开始测量，模块自动发出8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回。有信号返回时，ECHL引脚输出一个高电平 ，通过反向器接到单片机的中断口，高电平的时间就是从信号发射到信号返回的总时间。如果可以使用该模块，产品可以更加小型化。

2、LCD12864液晶显示电路

LCD12864液晶分辨率是128×64，显示直观、美观，内部有中文字库，可以直接其写入中文显示，避免了字符之间的互相转换；通信方式有并行和串行，含有简体中文字库，有8192个16×16汉字和128个16×8点阵ASCII字符。接口方式简单、操作指令方便。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，同时可完成图形显示。该液晶显示器与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件结构还是显示程序都简洁得多，而且价格略低于相同点阵的图形液晶模块。使用8位并联方式，通过单片机的P1口和P2口连接LCD。

3、温度电路

温度采用DALLAS公司生间的智能温度传感器DS8B20作检测元件，测温范围在-55-+125℃，最高分辨率可达0.0625℃，采用单总线与单片机相连。

4、语音电路

XFS5051CE是科大讯飞推出的一款功能及集成度最高的语音合成模块。模块有中文或英文语言，还支持6种方言。集成了语音编解码功能，能录音和播放。具有编码高效率压缩、音效高质量、编码低延迟等特点。语音编码解码速率可以选8K或16K。因此选择它作为语音模块。模块通讯接口支持UART、I2C、SPI三种通讯方式。单片机通过控制语音模块的7、8引脚，以I2C方式通信[5]，其中DAC连接语音模块的17引脚。

5、单片机电路

MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的汽车类16位超低功耗混合信号微控制器；执行速度快、高精确度，集成度高，开发方便等优点。

单片机的电源电压在1.8V～3.6V，2.2V/1MHz时的电流只有270μA。单片机工作频率最高可达16MHz，指令周期只有62.5ns，也可使用内部数字振荡器(DCO)或外接32768Hz低速晶体，可以在高性能和低功耗之间选择。片上1个10位的A/D转换器，2个16位定时器，4个8位I/O端口，其中P1，P2口有中断能力。有多种SPI，串行口、I2C总线接口。拥有32KB闪存，1KB内存，支持JTAG编程和仿真调试[2]。

四、汽车倒车测距仪的软件设计

软件设计主要由主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、显示子程序、报警程序、键盘程序及语音程序组成。

超声波主程序流程图如图5所示。主程序用于设置定时器的初值和工作方式等之后，调用超声波发生子程序发出多个超声波脉冲。一旦接收到返回超声波信号，立即进入超声波接收子程序，取出时间值。然后在主程序中，判断是否溢出，没有溢出并调用显示和语音子程序，如果达到报警值还会触发声光报警。

超声波发射子程序的作用是通过单片机MSP430引脚发送20μs的高电平触发信号，然后HC-SR04模块开始发射8个40kHz的超声波信号，检测到有返回信号后停止发射返回。

利用外部中断0检测返回的超声波信号是否结束。当ECHO引脚为同高变低时，说明从到发射信号到返回信号一个过程结束。马上引起外部中断0，在中断中读取时间t中断返回。

主程序中开始测温度，进行温度补偿计算，并计算出相应距离。如果超过报警值，启动声光报警。然后开始LCD显示和语音播放。再一次循环测量，直到用户关闭测距仪。

在测量过程中，通过对MSP430单片机的设置，使用看门狗程序，当出现程序跑飞和死机的现象时，马上重启测距仪。

五、实验数据

在室温下，分别在距2cm，3cm，5cm，20cm，30cm，50cm，1m，2m，2.5m，3.5m，4m，5m 处 放置超声波反射挡板，每一位置连续测量10组数据。利用测量的数据，检验波测距的盲区及最大测量距离。实验结果表明，本系统对于小于2cm的测量距离，由于会造成超声波的多次反射，无法测量，2cm以下为测距仪的盲区。4m内精度为3mm。在距离5m左右的位置，由于超声波回波信号微弱，系统检测精度不够，实际值与测量值之间的偏差在2cm左右。

六、结束语

整个测距仪的硬件以MSP430单片机为核心，超声波发射和收发部分用了一体化的模块HC-SR04实现，抗干扰性极强，可靠性高。使用了温度补偿，提高了测量精度。测距仪能在司机泊车倒车时，能以语音、显示方式或声光报警多种方式，提示后方障碍物的存在，可作为泊车时的倒车雷达使用。系统精度高，体积小，结构简单，使用方便，满足了倒车测距的准确性和应用性，减少了倒车事故的发生，提高了安全性。作为单片机实训项目，让学生真正看到单片机在现实生活的实际应用，提高学生的实践能力、分析问题能力和创新能力。