摘要：文章概述了利用单片机控制的超声波测距应用于汽车倒车防撞雷达系统的基本原理，例如当汽车倒车时，启动单片机及外部传感器实现距离测量，单片机对超声波的发射与接收通过计时进行控制，当所测得的距离小于预设的安全距离时，启动声光报警，有效避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人。同时文章对该系统存在的弊端及其优化思路进行详细阐述。
关键词：超声波；单片机；测量；优化
中图分类号：TP302.1 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)33-1498-02
The Principle of Car"s Back up Alarm Radar System and the Discussion for Optimizing of the System
LIN Yong
(Anhui Broadcasting Movie and Television College, Hefei 230022, china)
Abstract: This paper summarized the basic principle of Ultrasonic Distance Measurement system applied in car back up alarm radar system controlled by Single-Chip. For example ，When the car walk back up, the Single-Chip and the outer sensor are started to measure distance. The Single-Chip controls the transmitting and receiving of ultrasonic by calculating time. If the measured distance is shorter than the set safety distance, the light alarm system will be worked, and the possible harm from barrier and foot passengers will be effectively avoided. At the same time, defect and optimizing thoughts of the system are expounded in detail.
Key words: ultrasonic; single-chip; measuring; optimization
1 倒车防撞雷达系统基本原理
该文的汽车倒车雷达系统，是以MCS-51系列单片机为控制芯片，当汽车进入倒车状态时，单片机控制超声波发生器每隔一定时间发出一串40KHz超声波，同时不断检测反射的回波，从而测得时间差T，然后求得距离。见公式(1)。
S=C*T/2(1)
式中的C为声波在空气介质中传播的速度，从而实现对车尾与车后障碍物之间的距离进行实时测量（如图1）并用显示器显示，根据所测量的距离是否安全发出相应的声光报警。
由图1可以看出，由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在反射与发射之间的夹角，其大小为2α。当α角度很小时，直接按上式计算得到距离，当α较大时，则必须进行距离修正，修正公式为S=cosα*(CT/2),倾角α与超声波发射探头与接收探头的安装位置有关，在实际应用中，应注意适当安装。
2 系统硬件原理图
汽车倒车防撞雷达系统其核心部分是超声波测距，它主要包括：温度检测电路、超声波发射及控制电路、超声波接收及信号处理电路、显示电路、报警电路、微处理器及其辅助电路（如图2）。具体方案如下：
1）89C2051单片机为主控制器，利用其片内时钟电路，低电压、低功耗，以及封装体积小，便于嵌入其它系统等诸多优点，能很好地满足设计的有关要求；
2）数码管显示器显示距离数值，单位为mm，数码管接口基于MAX7219进行设计；
3）超声波发射与接收采用分离设计，即单独采用发射器和接收器，而不是采用发射接收一体化器件，以降低调试的复杂性，提高系统安装的灵活性；
4）系统电源以+12V为主电源，通过稳压电路得到系统需要的+5V电压。
3 系统弊端及其优化思路
3.1 低功耗问题的提出
由于时钟为连续性工作状况，因此其平均功率消耗的高低不仅对节能有现实意义，而且对降低系统温度、提高系统长期安全可靠运行也有现实意义。对于以微处理器为核心的系统，其平均工作功率取决于系统的硬件设计，主要是低功耗器件的选用，同时也取决于系统的软件设计，主要是系统的运行模式等。
3.2 低功耗问题的解决思路
核心89C2051单片机有睡眠（IDLE）和掉电（POWER—DOWN）两种工作模式，通过分别置位PCON寄存器中的IDL位和PD位来做选择。在待机方式下，晶体振荡器频率为12MHz，电源电压为5V时，电源电流从20MA降至5MA，而电压为3V时，电流由5.5MA降至1MA，由此可见其节电效果是十分明显。任何一个中断或硬件复位都能唤醒中断工作模式，恢复正常工作模式。在硬件方面，在倒车时,才会接通电源，而平时是处在无电源状态。
3.3 抗干扰问题及解决方法
由于汽车在工作时的高压点火，对外有很强的电磁辐射，电磁环境恶劣，故在硬件及软件方面就抗干扰问题都进行考滤。解决方法如下：
1）良好的接地
接地不良时将形成明显的共模干扰，以及受其它高频干扰。接地应用原则：一般高频电路应就近多点接地，低频电路应同一点接地。在高频电路中，地线上具有电感，因而增加了地线阻抗，而且地线变成了天线，向外辐射噪声信号，因此要多点就近接地。在低频电路中，接地电路若形成环路，对系统影响很大，因此应同一点接地。除此之外数字电路模块和模拟电路模块应分开接地。
2）屏蔽
硬件方面，超声波的接收在前级是弱小信号，传感器的连接采用质量好的单芯屏蔽线，保证小信号的可靠传输，在信号的放大部分采用滤波器，滤去高频和低频干扰。发射和接收部分分块设计，像控制器一样用金属外壳对外电磁场进行屏蔽，对于各种通过电磁感应引起的干扰特别有效。
3.4 发射接收时间对测量精度的影响分析
采用压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为（见公式2）：
(2)
由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。
由以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。
3.5 声速的温度补偿问题与优化
3.5.1 当地声速对测量精度的影响分析
当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下（见公式3）：
(3)
式中C0=331.4m/s ； T为绝对温度，单位K 。
此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1℃, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的，因此提高超声波测量精度的重中之重是获得准确的当地声速。
3.5.2 温度校正的方法提高测距精度
由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式(4)求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法，采用热敏电阻、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。
(4)
式中C0=331.4m/s 为零度时的声波速度； T为实际温度，单位摄氏度 。
为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 总线专利技术，能够仅在占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电），极大的方便了使用者的调试使用，而且其在－ 10℃ ～＋ 85℃ 的工作环境下可以保持± 0.5% 的使用精度，在这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。通过 DS18B20 芯片获得的数据信号经由 1-WIRE 总线传至 MCU ，由软件进行声速换算补偿，能够满足较高精度超声波测距的设计要求，因此可靠性得到保障。
4 结束语
以上是汽车倒车防撞雷达系统原理及优化的概述,实际中测量车后一定距离范围内的物体与车尾的距离，并以MCS-51系列单片机作为中心控制单元，这种倒车防撞雷达通过显示器可以及时显示障碍物距车尾的距离，显示范围能达到0.1～5.0M。采用四位数码管可显示数值，单位mm，还可以根据几段距离分别设计出几种不同的报警信号，以警示司机几种不同程度的紧急状态，使司机据此做出相应的操作，防止事故的发生。通过硬件元件选取与改造对低功耗问题和抗干扰问题进行解决,而对声速的温度补偿等问题的软件优化达到了良好的效果，保证了此系统的可靠性。
参考文献:
[1] 康华光.电子技术基础[M].第五版.北京：高等教育出版社，2008.1.
[2] 余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安：西安科技大学出版社，2000.7.
[3] 何希才,刘洪梅.传感器应用接口电路[M].北京：电子工业出版社，2004.12.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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