超声波测距仪在汽车安全系统中的应用

浙江万里学院学报

Ｖｏ１．２０Ｎｏ．５Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２００７

２００７年９月

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＷａｎｌｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

超声波测距仪在汽车安全系统中的应用

肖质红

（浙江万里学院，宁波３１５１００）

摘要：基于超声波测距的原理，利用单片机技术设计了一套系统，实现在行驶过程中一旦出现前后车距小于安全自动刹车的功能，起到减少交通事故发生的目的．文章主要介绍基于距离、对人车安全构成威胁时，车辆自动报警、工作原理及软件设计方法．ＡＴ８９Ｃ５１单片机的超声波测距系统，阐述了超声测距系统的硬件电路构成、关键词：超声波发射；数字测距；单片机；温度传感器中图分类号：

ＴＢ５５１；ＴＮ４３文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－２２５０（２００７）０５－００４３－０４

收稿日期：２００６－１２－２６

作者简介：肖质红，浙江万里学院电子信息学院讲师．

随着汽车的普及，越来越多的家庭拥有了汽车．人们在享受驾驶乐趣的同时，更加注重的是汽车的安全性，许多“追尾”事故都与车距保持不当有关．为了解决此安全问题，我们基于超声波测距的原理，利用单片机技术设计了一套系统，实现在行驶过程中，一旦出现前后车距小于安全距离、对人车安全构成威胁时，车辆自动报警、自动刹车的功能，起到减少交通事故发生的目的．同时，利用超声波还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．

１

１．１

超声波测距的工作原理与方式

超声波测距的工作原理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．

１．２超声波测距的工作方式利用超声波测距的工作原理达到测量距离的作用，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．

２

２．１

系统硬件设计

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，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．

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浙江万里学院学报２００７年９月

图１系统总体框图

２．２超声波发射部分超声波发射电路工作原理如图２所示：由ＮＥ５５５时基电路及外围元件构成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．

图２超声波发射电路原理图

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．

频率为：ｆ＝１．４４／（Ｒ１＋２Ｒ２）Ｃ１

但是输出的矩形波是不对称的，占空比为：ｑ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋２Ｒ２）

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．

（１）（２）

２．３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如图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

第５期肖质红：超声波测距仪在汽车安全系统中的应用

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２．４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４．９～０．１ｍ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．

３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：接收传感器的工作状态．（１）控制超声波发射、

（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．（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．

系统主程序流程如图４所示．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．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１２ＭＨｚ的晶振，计数器每计一个数就是１ｓ，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３４４ｍ／ｓ则有：

（３）ｄ＝（ｃｘｔ）／２＝１７２Ｔｏ／１００００ｃｍ

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．

图４

系统主程序流程图

４系统的调试与优化

本测距仪已在为电子大赛准备的智能小车上调试通过，超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中

超声波发射和接收采用Ｔ／Ｒ４０的超声波换能器（Ｔ发射）和（Ｒ接收），中心频率为４０ｋＨｚ，安装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．根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要．系统调试完后应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．

４．１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．

４６４．２

浙江万里学院学报２００７年９月

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

温度／℃声速／ｍ／ｓ

声速与温度关系表

－３０３１３

－２０３１９

－１０３２５

０３２３

１０３３８

２０３４４

３０３４９

１００３８６

综上所述可得到如下结论：根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为０．０７～５．５ｍ，测距仪最大误差不超过１ｃｍ．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．参考文献：

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［３］杨自栋．简易超声波测距仪的软硬件设计［Ｊ］．农业装备与车辆工程，２００５，（４）：２４－２６．

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ｗｗｗ．Ｅｓｏｓｅｍｉ．ｎｅｔ．２００６－０５．

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ＴｈｅＶｅｈｉｃｌｅＳａｆｅｔｙＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＤｉｓｔａｎｃｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＤｅｖｉｃｅ

ＸＩＡＯＺｈｉ－ｈｏｎｇ

（ＺｈｅｊｉａｎｇＷａｎｌｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５１００）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｉｔｙｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｆａｍｉｌｉｅｓｈａｖｅｃａｒｓ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅａｓｐｅｏｐｌｅｅｎｊｏｙｓｔｈｅｆｕｎｏｆｄｒｉｖｉｎｇ，ｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓｉｓｐａｉｄ．Ｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈｉｐｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．Ｗｈｅｎａｃａｒ＇ｓｂａｃｋｉｎｇｕｐ，ｉｔｃａｎｄｅｔｅｃｔａｎｄｄｉｓｐｌａｙａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔａｉｌｏｆｔｈｅｃａｒａｎｄｔｈｅｎｅａｒｅｓｔｏｂｓｔａｃｌｅ．Ｉｆｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｓａｆｅｄｉｓｔａｎｃｅｌｉｍｉｔ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｗｉｌｌｇｉｖｅａｖｏｉｃｅａｎｄｌｉｇｈｔａｌａｒｍａｎｄｂｒａｋｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｔｈｕｓａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔｓ．ＴｈｅａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｄｉｓｔａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＴ８９Ｃ５１ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｓｉｔｓｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ；ｄｉｇｉｔａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅ；ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ