超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用

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摘要：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。本文主要介绍超声波在汽车倒车防撞报警系统中的应用，以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

关键字：超声波发生器；超声波换能器；测距

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)04-11083-03

1 引言

近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器（单片机）的出现，使超声波测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高，而且为超声波测距技术的应用开辟更大的空间。

利用超声波制作汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。

2 超声波测距的工作原理与方式

2.1 超声波测距的工作原理

人能听到的声音频率为：20Hz~20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在 20kHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。

超声波测距的原理就是利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。

2.2 超声波测距的工作方式

利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：

（1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；

（2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响；

（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。

本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。

3 系统硬件设计

3.1 系统硬件总体框图

构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、键盘显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。

根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器 TCT40－16T/R（T 表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为 6m，发射扩散角为 60度。同时，采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图1所示。

图1 系统总体框图

3.2 超声波发射部分

超声波发射电路原理图如图2所示：由NE555 时基电路及元件构成40kHZ 多谐振荡器电路，调节电阻器RP 阻值，可以改变振荡频率，最终达到40KHZ。同时用单片机控制NE555 第3 脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流40~50mA。

用555定时器接成的多谐振荡器来驱动超声波发射传感器。555定时器外接电阻和电容构成的多谐振荡电路。振荡频率 f主要取决于电阻 R1（包括电位器的阻值）、R2和电容 C1，当 R1、R2 和 C1固定时，改变电位器的阻值就可改变振荡频率，振荡幅度由电源电压来决定。

图2 超声波发射电路原理图

但是输出的矩形波是不对称的，占空比为：

这里采用独立的 9V电源对三极管驱动电路供电，以增强超声波发射的能量和测量精度。

3.3 超声波接收部分

接收电路电路的功能是将连续变化的信号放大，滤掉高频干扰和噪声，把连续变化的信号转变为离散信号，量化后进入信号采集系统。

超声波接收电路原理图如下图3所示，当R40-16感应到超声波时，信号经过VT2，VT1两级放大后再经整形滤波，最后有VT3放大输出，若有收到40KHZ超声波回波，输出低电平到单片机，若无接收40KHZ超声波的回波，输出高电平到单片机。

图3 超声波接收电路原理图

3.4 单片机控制部分

40KHZ的发射频率由单片机的P3.2提供给软件进行处理，回波经过AT89C51对接收到的信息进行处理后，被测的距离在LED上显示，显示的数据由P0口和P2口分别控制数码管的段和位实现LED的显示，显示部分采用动态扫描显示。两位LED可表示4.9～0.1 m的距离，满足显示精度；若该距离小于预置的汽车低速安全刹车范围(如：1m或0.5m)，报警电路发出适当的警告提示音，由P2.4口的蜂鸣器输出控制报警电路的工作。

4 系统软件设计

汽车倒车防撞系统根据超声测距原理用AT89C51单片机开发设计。整个软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

根据系统的要求，系统软件应具有以下功能：

（1）控制超声波发射、接收传感器的工作状态。传感器的工作状态因行驶方向的不同而不同，而且，探测距离时发射传感器还要依次轮流工作，这些功能需靠软件程序来实现。

（2）根据汽车的行驶速度计算出倒车避撞的安全距离和报警距离。安全距离就是汽车自由停下所需的距离，这时需要的距离必然小于根据车速确定的安全距离。比安全距离稍远些的是报警距离，设计的报警距离比安全距离长出 1 米。通过报警来减少不必要的停车。

（3）测出超声波信号的往返时间，来计算出最近的障碍物与平台车的距离。超声波从发射出去碰到障碍物返回接收传感器的时间，需要通过软件定时器来记录。根据这个时间才能计算出障碍物的距离。

系统主程序流程图如右图4所示：

图4 系统主程序流程图

软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期内，依次执行各个模块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果决定显示程序的内容以及是否调用声音报警程序。当测得距离小于预置距离时，声音报警程序被调用。

主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0．1 ms(这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。

由于采用的是12 MHz的晶振，计数器每计一个数就是1 s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器TO中的数（即超声波来回所用的时间）按式（3）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为其中，To为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0．5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

5 系统的调试与优化

超声波测距仪的制作和调试都比较简单，安装时探头时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

系统调试完后对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

5.1 发射器探头对接收器探头的影响

超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm的“盲区”。此“盲区”很小，对本系统没有影响。

5.2 温度的补偿

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

表1 声速与温度关系表

所以，在超声波的两个探头旁边需要放置温度传感器，测出环境温度T，由单片机控制器进行软件修正。

6 结束语

虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89C51单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。该系统经实际测试证明，可以满足大多数场合的测距要求。

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