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超声波倒车雷达系统设计

摘要：以开发高精度超声波倒车雷达系统为研究目标,采用STC89C52RC单片机为核心控制器,配合使用HC-SR04超声波测距模块,实现超声波测距功能.为了提高测距精度,采用DS18B20温度传感器补偿环境温度变化对超声波传播速度的影响.使用LED数码管显示测距结果,并使用语音播报模块ISD1700实现距离数据的语音播报,改善了用户使用体验.该系统可以精确测定0.002~2.5m范围内的距离参数,在0.5m以内误差小于20mm,0.5~2.5m内误差小于50mm.

关键词：单片机；STC89C52RC；倒车雷达；超声波测距；温度补偿；语音播报

中图分类号：TP368.1；TN95文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.12.110

由于汽车市场的蓬勃发展,汽车及驾驶员的数量激增,车位的紧缺和紧凑型车库对驾驶员的泊车技术提出较高的要求,针对广大驾驶员泊车难问题,本科研训练项目以开发辅助驾驶员泊车的高精度倒车雷达系统为研究目标,着手解决以上问题.笔者详细介绍了超声波测距系统的构成,并且针对系统的原理、设计步骤做了详细论述.该系统由5个部分组成,超声波的发射接收采用HC-SR04模块,数据处理采用STC89C52RC单片机,处理后的数据通过数码管显示模块提示实时距离,通过ISD1700语音模块播报实时距离,通过按键模块实现报警设置以及功能切换.倒车雷达可以实时播报车尾距障碍物的距离,提醒驾驶员及时刹车[1-4].

1超声波倒车雷达系统的设计原理

1.1超声波测距原理

声音的传播速度与光速相比,有传播速度慢、传播时间可测的特点,可以通过测量声音传播的时间t,借助公式计算得出距离.

该系统设计采用HC-SR04超声波测距模块,该模块可提供2~4000mm的非接触式距离感测功能,测距精度可达2mm,模块包括超声波发射器、接收器和控制电路.该模块的超声波发射接收口处于同一端,所测距离l与时间t关系的表达式为

l等于vt/2.（1）

HC-SR04工作原理如下：单片机的I/O口连接Trig口（控制端）,给Trig一个至少10μs的高电平触发测距,HC-SR04模块自动发射8个40kHz的方波,并自动检测是否有信号返回,若有信号返回,通过ECHO（接收端）输出一个高电平,连接到单片机I/O口,单片机检测到高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间,由式（1）即可求得[5].

1.2单片机系统原理

使用STC89C52RC单片机作为该系统的处理器,此类单片机采用CPU加上功能模块的传统微型计算机结构模式,CPU与各功能模块通过内部总线相连接,进行信息交互.该单片机有2个定时器Timer0和Timer1,程序设计时一个定时器用来记录超声波模块的ECHO口高电平持续时间,这个时间就是超声波从发出到接收到反射信号的时间.另一个定时器用来产生定时器中断,每5ms请求一次中断,每经过1个中断,数码管显示刷新一次.每经过60个中断,测距数据更新一次.每经过70个中断,ISD1700语音模块播放距离中的一位.

STC89C52RC在外接12MHz晶振时,依然可以产生波特率为9600b/s的脉冲信号,通过SPI通信协议实现和ISD1700语音模块的通信.

1.3温度补偿原理

空气温度对超声波的传播速度有着较大的影响,测距雷达要在户外精确测量,就不能忽视温度对测量产生的影响.在空气中,超声波传播速度v（m/s）与空气温度T（℃）有着较好的线性关系,其表达式为

v等于331+0.6T.（2）

在系统中加入一个温度传感器来监测实时温度,在单片机内根据式（2）写入一个温度对应声速的数组,温度传感器检测的温度与声速一一对应.将声速代入式（1）中,计算得到的距离会比默认设定声速340m/s更精确.

温度补偿系统采用的DS18B20温度传感器具有外观小巧、测温精准、测温范围大、引脚少、成本低的特点.DS18B20仅需要一条I/O口线就能实现与单片机的数据传输,简化了硬件电路.而且工作电压与51系列单片机一致,不需要再另外增设电源.DS18B20与电源连接时需要上拉一个4.7kΩ的电阻.由于DS18B20和单片机的连接是单线的,因此发送和接收口必须是三态的.主机控制DS18B20完成转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令,单片机系统所用的外接晶振为12MHz,根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序,分别编写3个子程序：INT为初始化子程序、WRITE为写（命令或数据）子程序、READ为读数据子程序,所有的数据读写均由最低位开始[6].

1.4数码管显示原理

STC89C52RC单片机I/O口输出电平为+5V,足够驱动数码管,数码管采用共阳极数码管,见图1.由图1可知,一个数码管共8段,分别为A,B,C,D,E,F,G,DP,点亮数码管特定的段可以使得数码管显示0~F以及·.数码管的阴极接地,将数码管的8个段分别接到单片机的I/O口上,就可以通过控制单片机引脚的高低电平使得数码管显示数字.

由于人的视觉暂留效应以及发光二极管的余晖效应,如果发光二极管闪烁的足够快,给人留下的效果就是稳定的数字显示.为了减少I/O口的占用且能够实现多个数码管显示不同的数据,就要应用动态扫描技术.一片4位数码管的段选口并联接到单片机的P1口,单片机的P3.4~P3.7口,P2的8个口分别接4个数码管位选接口.4个数码管的连接关系是共用段选,每一个位选由单片机I/O独立控制.实现数码管的动态扫描需要段选和位选的相互配合.由于动态扫描会影响数码管亮度,单片机I/O口驱动能力差,采用共阴极数码管直接单片机P1口数码管亮度低,多采用共阳极数码管接三极管引入5V电源作为本系统的显示模块.

1.5语音播放原理

该测距系统的语音播报功能靠ISD1700语音模块搭载一个ISD1760语音芯片实现.ISD1700语音模块与单片机的通信协议为SPI协议,模块和单片机的连接只需要4根线（SCLK,MOSI,MISO,SS）,高效地利用了单片机的I/O口.

ISD1700系列芯片可以和单片机连接,在SPI模式下,用户可以对任意存储地址进行录放.该测距系统使用1700的SPI模式任意地址放音功能,可以逐个在地址内录入“0”“1”“2”“3”“4”“5”“6”“7”“8”“9”“十”“点”“米”“当前距离”的声音信号,通过编程使得音频地址和距离值对应就可以实现语音播报[7].

2超声波倒车雷达系统的程序设计

图2为主程序流程图；第112页图3为系统控制顺序示意图.超声波测距系统的控制程序包含以下功能：初始化单片机的各个程序；通过测温程序测出当前温度,查找温度对应的声速；初始化定时器T0,启动超声波测距子程序,打开定时器,等待接收回波信号,停止计时；处理器计算出距离,通过数码管显示；通过语音播报播放距离.

该程序设计用到了Timer0和Timer1.Timer0用来计算超声波模块引脚高电平的时间,对Timer1赋初值提供5ms中断.每中断一次,程序设定的value加1.当value加到60时,时间为300ms,flag_300ms置于1,测量一次距离.当value加到70时,时间为350ms,flag_350ms置于1,播报一位,也就是说每0.35s播报一位数字.

程序设计的一个关键问题就是建立时序,每个模块的正常工作需要单片机对该模块的引脚严格的按照时序上、下电.整个系统的正常工作则需要各模块按照系统规定的时序启、停.小时序的错乱会导致系统中某一模块不能正常工作进而导致整个倒车雷达系统的失灵.大时序的错乱虽然不影响各模块的工作,但是各个模块不能协调工作,系统同样失灵.

各个模块的正常工作需要严格地按照既定时序控制电平,在各个模块的相互协作方面,ISD1700语音模块没有语音播放结束的标志,由于无法采用外部中断来控制语音播放,因此只能用定时器中断来控制语音的播放.由于语音模块要播报一个完整的距离需要播放“*”“点”“*”“*”“米”,单片机和语音模块的协作过程如下：SPI通信第一位地址→播放第一位字→SPI通信第二位地址→播放第二位字,直至完整地读出一个距离.在此过程中,虽然语音模块播放并不占用时间,但是连续的通信（SPI是串行通信）会占用多个通信周期.使用者看到的现象是测距雷达在“说话”的时候,数码管不刷新显示.

在程序改进时,笔者测算出播放每一个字大概需要0.35s,因此中断标志value加到对应0.35s时,单片机会通信一次语音模块.这样一个字一个字地播放,就不会影响显示.

单片机与语音模块通信采用SPI通信协议,需要在波特率为9600b/s的脉冲信号的条件下才能实现通信,在外接12MHz晶振下,STC89C52RC单片机提供了TIMER2,可作为波特率发生器.且它作为波特率发生器时,其频率是晶振频率的1/2,也就是6MHz,给Timer2赋初值,STC89C52RC单片机也能产生波特率为9600b/s的脉冲信号.

3超声波倒车雷达系统的调试及其功能

为了验证超声波倒车雷达系统设计方案的正确性、测量结果的准确性,在实验温度为21℃时,对该系统进行实际测距实验,测试结果见表1.

由表1可知,测试结果与实际距离基本一致,数据比较稳定,在1.6m以内有着较好的重复性（在0.03m以内存在盲区）.超声波易受到外界的干扰,超声波测距距离不能太远,若测距距离太远,由于受到声速的限制,系统反应时间慢；如果测距面与探测器太近,也会收不到反射信号.同时,超声波测距面必须是平面.如果探测面不平或者探测面与超声波发射接收装置有较大的角度,超声波探测器会接收不到反射信号；如果探测面吸音,也会接收不到信号.此外,超声波测距还易受到风速的影响.

在设计后期,通过对测量平面的多次测量,整理测量数据可得,此次设计的产品在0.002~2.5m范围内有着较高的精确度：在0.5m以内误差小于20mm,在0.5~2.5m范围内误差小于50mm.

超声波倒车雷达系统的主要功能是通过超声波非接触测量,测量障碍物与倒车雷达间的距离并通过附加外设数码管、语音芯片、喇叭实现声、光的播报、显示,并且由于倒车雷达中的温度传感器可以达到日常的测温需求,该系统也可以通过功能键切换到温度显示功能.

4结束语

超声波倒车雷达系统采用STC89C52RC单片机为中心控制单元,以HC-SR04测距模块为雷达探头,以DS18B20为温度补偿传感器,通过数码管可以及时显示障碍物距车尾距离,由于采用温度补偿,该系统的测距精度很高,在1m以内几乎无误差,在1~2.5m范围内误差逐渐增大,但始终小于1.6%.采用4位数码管可显示距离、温度,还可设置不同的安全距离（低于安全距离报警）.采用ISD1700系列语音芯片以实现语音播报功能.超声波倒车雷达系统的优势在于利用超声波非接触测距特性,系统设计方案正确合理,测量数据可靠,系统外观精巧,适用性广,可独立应用于测距.

参考文献：

[1]王晓萍.微机原理与接口技术[M].杭州:浙江大学出版社,

2014.

[2]谭浩强.C程序设计[M].4版.北京:清华大学出版社,2010.

[3]张志恒,赵世平.数字电子技术基础[M].北京:中国电力出

版社,2010.

[4]冯江涛.计算机控制技术与系统[M].北京:中国电力出版

社,2017.

[5]百度文库.HC-SR04超声波测距模块说明书[EB/OL].

[2017-12-01].https://wenku.baidu.com/view/18f1b42-

d76c66137ee061921.html.

[6]百度文库.DS18B20温度传感器数据手册[EB/OL].