基于超声波的汽车倒车雷达外文翻译资料

基于超声波的汽车倒车雷达

王心娜，高谦和张平川，机器和电子工程系，漯河职业技术学院

摘要

汽车在倒车的过程中应特别注意安全。本文分析了超声波测距的原理，在利用使用高性能的16位的微处理器作为控制核心的SPCE061A微程序控制器/数字信号处理器和用超声波传感器模块检测信号时，制作了简单和实用的倒车雷达。为了简化调试工作，系统设计是采用模块化结构，从而做出最终的倒车雷达系统。实际测试时，显示测量的范围可能在15cm-200cm。测量的距离的误差只有5cm，完全能满足实际的需要，而且成本低。

关键词：汽车倒车雷达；超声波；SPCE061A微程序控制器；安全

前言

在汽车倒车时是非常容易发生事故的；因此，通过技术措施确保扭转安全已成为国内外研究机构的共识。其设计目的是在拥挤的街道，停车场和人群，避免倒车碰撞事故的产生。它不断地检测到倒车时的障碍物的距离，当距离太近时，雷达会给驾驶员发出一个实时的声音和灯光的警告。由于倒车雷达的探测范围较短，红外、超声波、毫米波都是可选的。

目前对汽车雷达技术的研究是非常广泛的，在分析文献的基础上，汽车雷达的工作方法主要有激光、超声波、红外、毫米波等。

激光测距方法容易受到恶劣天气、汽车强烈振动、发射面磨损、撕裂、污染等因素的影响，从而降低了检测范围。红外线的方法很容易受到天气和路边等物体的干扰，在恶劣的天气和环境，检测范围仍然是不足够的。毫米波法在结构上是昂贵而复杂的。超声波法使用频率大于20kHz的超声波，具有指令特性、能量衰减慢、传输距离长等特点，且对远距离检测非常简单，常用于非接触测量。由于超声波测距的距离较近，特别适合于倒车雷达的近距离。因此，超声波常作为探针的源信号。

第1章 超声波的基本原理

在物理世界中，人类的听觉感官频谱的声音，是频率为20Hz至20kHz之间声波，可以导致人类的听觉，振动的频率范围称为声音振动。机械波的频率低于20Hz时称为次声波。频率大于20kHz的声音是属于超声波频率带，具有指令的特性，在中长距离的传输中能力衰减的很缓慢。经常用于非接触式测量时的距离测量。这个传感器通常用于车辆中频率为40 kHz的压电超声换能器和紧凑的收发器。

一般情况下，超声波发生器中有2个压电共振板和一个探测板。当外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振动频率时，会发生压电共振，并促进共振板振动，然后产生超声波。超声波测距的基本原理很简单，基本上是以声纳回声定位相同，即多普勒效应和回波效应。超声波测距的时候根据这个回音效果,通过发生器不断发出40 Hz超声波，超声波发射到接收的脉冲的总宽度就是时间间隔,测量的对象距离越远，输出脉冲数的脉冲宽度越大，与测量的距离成正比。超声波测距有几种方法，如相位检测，幅度检测，和声波时差检测方法。虽然相位检测精度高，但检测范围是有限的，声波反射波振幅检测是有漏洞的。本文使用超声波模块设计了汽车倒车系统，其中采用了超声波往返检测的方法来测量时间，用于检测汽车倒车系统的时间。测量原理如图1.1所示。

图1.1 超声波模块示意图

其原理是每一个超声波传感器收发器发射出40kHz超声波脉冲时，开始计时。超声波脉冲信号通过空气介质传播到障碍物，并通过障碍物反射回来。接收器在接收反射的超声波时立即停止计数。超声波在空气中传播到被传感器接收的时间就是传播时间，并且超声波在空气中的传播速度乘以传播时间就是传播距离。而传播距离的一半就是车辆与障碍物的距离。

该关系式为：

（1.1）

在这里，d代表的是车辆与障碍物的距离，c是超声波的传播速度，t是超声波的传播时间。微处理机脉冲计数方法可准确测量t。假设微处理器的周期为T，则有：

t= （1.2）

测量距离关系式为：

（1.3）

第2章 硬件设计

系统中采用超声波测距原理。超声波测距模块一般由发射器、接收器和信号处理器三部分组成。超声波传感器发射超声波脉冲，通过超声波接收器接收发射波，然后准确地计算出超声波从发射到接收的时间，这样车辆到障碍物的距离就可以根据超声波的传播速度确定。作为一种非接触式的测试方法，超声波在空气中的衰减很小，反射功率和穿透力很强。超声波测距是不仅简单、方便，而且成本低，可以忽略光和下雨或下雪时雾的影响，甚至是在近距离范围内也可以测量。利用高性能微型计算机和超声波测距相结合的方法，使汽车倒车雷达在制作时变得容易。太阳联合公司生产的16位微控制器SPCE061A是一种低功耗和资源丰富的芯片。因为内部ICE（在线仿真器）接口技术，SPCE061A非常适合用于作为汽车倒车的微控制器，因此，它可以很容易地进行片上闪存编程，从而实现软件升级。倒车雷达系统框图如图2.1所示。

超声波发射接收器

信号接收

SPCE061A微处理器

显示和按键

ICE

声光报警

图2.1汽车倒车系统方框图

主控系统电路结构如图2.1所示。这个系统选用的是有32Kb闪存和1KB RAM的SPCE061A，因此不需要外部扩展存储器。外部32.768kHz晶体振荡器作为中央处理器系统的时钟源，以及汽车的系统时钟。

超声波收发器模块独立完成，外观如图2.2所示。

图2.2 超声波停车传感器模块

其特点是：跳线J1有三种进而选择的距离模式（短距离模式，中档，距离可调）；分别为：

短距离模式：10cm-80cm左右（由测量材料的表面所决定）；

中程模式：80cm-400cm左右（取决于测量材料的表面）；

可调范围模式：由范围确定的可调参数。

单/多个模块使用2种方法（单传感器/阵列传感器）。单模块使用：单个模块可完成远距离测试，一般用于远距离/障碍物的应用。随着多模块的使用：模块提供接口J5、J6，几个模块可以连接在一起形成的传感器阵列组。

超声波标准电气参数：

1. 超声换能器谐振频率：40kHz；
2. 传感器模块工作电压：4.5V 9V；
3. 模块接口电压：4.5V，5.5V。

超声波收发器的时序图如图2.3所示。

图2.3 超声波收发器探针的时序图

第3章 软件设计

该程序是在软件模块化的基础上设计的。主要程序包括测距子程序和键盘/显示程序，时间显示程序等许多模块。一个一个调试各功能模块和子程序，每个子程序完成特定的功能后，然后调试集成系统。系统软件流程如图3.1所示。

开始

微处理器初始化

发射超声波脉冲

收到回波？

否

回波脉冲

读时间信息

计算距离

显示lsquo;危险rsquo;

d1m？

是

否

d2m？

显示lsquo;正常rsquo;

是

否

1mlt;dgt;2m?

显示lsquo;警告rsquo;

否 是

结束

图3.1系统程序流程图

当超声波开始发送时定时器开始计数，当信号遇到障碍物时接收器将收到反馈信号，然后接收电路CD4069处理接收到的信号并产生一个低脉冲。此脉冲被发送到微控制器，并要求中断，因此，中央处理器调用测距子程序来计算测量距离，调用显示子程序，用液晶显示器显示结果，并决定报警或不报警。当距离大于一个安全距离时，液晶显示屏显示“安全”并一直测量距离；当距离小于一个安全距离，则显示“危险”并保持测量。为了提高系统的准确性，将继续发射超声波，测量三次的距离，并从最大最小值，取中间值来计算一个精确的距离。每秒测量三次数据，仍然满足实时性要求。

结论

本文通过使用拥有MCU/DSP的计算能力和高性能的16位微处理器SPCE061A作为控制中心，设计并实现了用于汽车倒车过程的超声波雷达。充分利用SPCE061A功能丰富的片上资源，使雷达系统变得的有效和简单，不仅减少外围芯片的使用，也提高了系统的可靠性。该系统是用于汽车倒车，倒车时驾驶员从液晶屏上会清楚地知道车辆障碍物距离，从而克服后视镜小、窄的不足，消除倒车引起事故的隐患。

基于单片机的超声波测距系统

福贤成，周磊和温国军,机械与电子信息学院，中国地质大学（武汉）

摘要

超声波测距（UR）技术已广泛应用于世界各地的许多行业。本文旨在设计并制造一种具有低价格、高精度的超声波测距系统。基于超声波测距原理的深入研究，我们设计了基于AT89S52单片机的超声波测距系统的总体规划和详细的电路，包括超声波发射模块、接收超声波模块、显示模块等。然后，我们编写了所有模块的相对驱动程序。之后，我们对硬件和软件系统的组合系统进行了调试。最后，实验结果表明，3个原型的制作成本为300块，测量范围为0.16m ~ 1.5m，测量精度为0.001mm，即测距系统满足低成本、高精度的设计要求。

关键词：超声波；测距；单片机微处理器

前言

测量距离的各种方法和理论已经被提出。测量已知的参考位置和目标物体表面之间的距离的方法被称为超声波测距法。根据信息载体的不同，可以分为光学测距法、无线电波测距法和超声波测距法。通过接触，前两种方法在某些地方都有一定的局限性，而超声波测距法具有明显的优势。首先，超声波对颜色和照度并不敏感，可用于测量那些物体的透明度差和漫反射，例如，玻璃和抛光体。其次，超声波对外界的光和电磁场是不敏感的，它可以在黑暗、灰尘、吸烟者、强电磁接口、甚至毒素等恶劣环境中使用。最后，超声波传感器具有结构简单、体积小、成本低、简单可靠的信息处理的优点，而且便于小型化和集成化。因此，作为一种有效的非接触式距离测量方法，超声波已越来越受到重视。本文旨在设计并制造一种具有低价格、高精度的超声波测距系统。

第1章 超声波测距原理

超声波测距的方法有很多种，如相位检测法、声波幅度检测法、时差法等。相位检测法具有较高的精度，但检测范围有限。声波振幅检测方法易受反射波的影响。通过时差法检测的方法是通过检测时间，其中超声波通过超声波接收器发射出来。速度乘以在气体中的传输时间，就是声波的传输距离。从综合的角度看，时间检测方法满足了超声波测距系统的设计要求，因此我们采用了时差检测法对超声波测距系统进行了设计。

超声波测距系统的硬件电路设计如图1.1所示。

测量的对象

发出

放大

SCM

超声波传感器

接收

放大

图1 .1超声波测距原理

单芯片微处理器（单片机）AT89S52作为主控制芯片，能产生一定数量的发射脉冲（通常为5 ~ 16）驱动超声波。当遇到障碍时，超声波会返回。超声波接收传感器将回波信号转换为电信号^[1]。有回波处理电路（即接收端电路）将电信号转换为方波信号，输送给单片机系统^[2]。

图1.2显示了一个超声波测距信号图。a是传输信号，而b是回波信号。

图1.2 超声波测距信号图

如果脉冲夫人发射时间和接收时间之间脉冲的时间差被单片机系统测量出来，，则距离可以由公式（1.1）计算出来。

（1.1）

这里，c是超声波的传播速度。

第2章 超声波测距的硬件系统设计

硬件设计电路图如图2.1所示。

图2.1 超声波测距的硬件系统

在金磁科技有限公司制作的超声波传感器有NU40D22TR-2C超声波探头时，就选择了这家公司的产品^[3]，所有的电气电路模块的设计包括电源模块（PM），单片机模块（SCM），超声波发射模块（TMUW），接收超声波模块（RMUW），显示模块（DM）、报警电路（AC）和通信电路（CC）^[4]。由于没有特殊的电路，详细的电路被省略了。

第3章超声波测距软件系统的设计

超声波测距软件系统主要由主程序、超声波发射和接收子程序、延时子程序、数字处理子程序、显示子程序组成。超声波测距系统的主要程序流程如图3.1所示。

得到测量的值，计算并显示

结束

启动定时器

开始

是否有回响信号？

发射一组超声波

延迟32.5ms

清定时器

清显示

定时器0初始化

否

是

关闭定时器

图3.1 超声波测距系统软件主程序

主程序首先初始化系统环境。例如，它将设置定时器TMOD = 0x01，设置T0定时器的操作模式为16位的定时计数器模式。然后，它会设置全局中断使能位EA，可以清除和设置串口中断和显示使能引脚P14（即磁位74HC1

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