一种应用单片机的倒车雷达预警系统设计与实现

许燕

(陕西国防工业职业技术学院 电子信息学院，陕西 西安 710300)

0 引言

随着经济水平的提高，汽车的数量也在不断的增加。如今越来越多的人们将汽车作为一种代步工具，因此，对汽车的安全性能也提出了更多的需求。其中最为常见的一种需求是倒车雷达预警系统，倒车雷达预警系统通常被人们称作是倒车雷达，它的主要作用是帮助人们完成倒车等相关操作。当汽车开始倒车时，倒车雷达将利用超声波以及声速的温度补偿算法来进行测距，车体到达测定范围内时，倒车雷达将告知司机当前车体与障碍物之间的距离大小，车体与障碍物之间的距离形成危险距离时，倒车雷达预警系统将会播报具体的情况。在此篇文章中主要介绍了一种以单片机技术为主所设计的倒车雷达预警系统，此系统的主要特点为成本低，性能好，能够满足使用者的需求。

1 倒车雷达预警系统总体设计

本文主要设计了一种基于单片机的倒车雷达预警系统，它的整体设计思路为汽车挂上倒挡后系统会利用超声波进行测距，若测出的距离已经对车体以及乘坐人构成危险时，则语音系统会在LED显示屏上进行自动预警，提醒司机应注意与障碍物之间的距离，减少意外的发生。提高驾驶的安全性能。其中值得注意的是预警系统为了提高测距的准确性加入了声速的温度补偿[1]。其具体的操作系统结构图如图1所示。

图1 雷达预警系统结构框图

2 以单片机为主的倒车雷达预警系统硬件设计

超声波测距的电路模块主要利用超声波的发送和接收电路进行测距操作，其测距大小准确，差错极少，单片机的控制电路模块的主要作用为稳定时钟的频率，其成本低廉，操作简单[2-3]。

2.1 超声波测距电路模块

2.1.1 超声波发送电路

超声波发送器主要指的是超声波以及相关设备的发送器，它主要由两方面构成。包括超声波的产生电路以及超声波的发射电路。超声波的信号是由软件以及硬件的共同作用下产生的。

其中软件发生法是使用软件发出40 kHz的超声波信号，即为运用软件产生法形成超声波信号的过程。此方法的特点为具有极强的开放性和灵活性，作为主要软件，操作较为方便[4]。

其中硬件产生法是使用系统通常所用的电路或较为特殊的电路等来产生超声波信号，即为运用硬件产生法形成超声波信号的过程。此方法的特点为转换效率高、时速快、无需驱动。但灵活性较差，操作难度大。

由上文可以得出，本文的设计使用方法为软件发生法，它主要是由软件产生信号后经由引线末端输出，利用了驱动系统由此进入探头处产生超声波，其中产生极为关键作用的探头在整个设计中选用的为CSB40T。

2.1.2 超声波接收电路

为了确保超声波的正常接收，超声波接收探头应选用与超声波发送探头适配的产品型号，因此在此设计中采用了与 CSB40T相关联的 CSB40R，以此发生正常的反应，达到共振效果[4]。

因使用超声波探头发出的超声波信号较弱，达不到预期效果，故使用信号放大模块来放大信号，使用4片LM324信号放大模块来进行信号的放大处理，并将放大处理后的信号来进行转换输出。由图可知，前面的三级和后面的一级分别为放大器设计以及比较器设计。其超声波的接收电路如图2所示。

图2 超声波接收电路

2.2 单片机控制电路模块

由于系统需要单片机进行连接的线路较少，以及系统本身需要使用的功能较少，因此本设计从成本方面考虑选用了型号为AT89C2051的单片机为系统主体的重要部件。型号为AT89C2051的单片机主要有2个计数器，15个相关电路的处理端口以及20个有关于各线路的相关接线，此设计的主要特点为操作运用便捷、占用区域少、成本较低。在操作的过程中，为确保时钟频率的准确性以及整个操作的合理性，减少因测量失误带给设计的影响，因此使用了12 MHz的高精度晶振[5]。当单片机的外部处于中断，接收不到信号需要重新申请连接时应接入单片机的P3.2端口。单片机控制电路的具体情况如图3所示。

图3 单片机控制电路

2.3 显示电路模块

本文设计使用的显示电路液晶显示模块的型号为OCMJ12232C_3。其中型号为OCMJ12232C_3的液晶显示模块的15脚接地为按位数发送的串口通信方式。主要内容为车外的温度和倒车时距障碍物的距离两部分构成，其液晶显示屏上主要分成两行进行展示，第一行展示的是倒车时车体与障碍物之间的距离，其主要的单位为cm。第二行展示的是车外的温度，其主要的单位为℃。

2.4 报警电路模块

为了减少倒车事故的发生，车辆安装了报警电路模块，汽车挂入倒挡开始倒车后，当车体与障碍物之间到达了所设定好的危险距离时报警系统会自动响起，以此提醒司机应注意车体与障碍物之间的距离，根据实际具体的情况进行自主掌控，减少意外的发生。当车体与障碍物之间的距离未到达所设定好的危险距离时报警系统不会响起以免影响正常的倒车操作。报警电路的主要构成为一个发光二极管、一个蜂鸣器以及一些固定的外部电路。当单片机PA8口输出较低的电率时系统会进行自动报警操作，发光二极管和蜂鸣器将会同时运行，以此达到警示驾驶员注意距离的目的，有关报警的电路模块如图4所示。

图4 报警电路模块

3 以单片机为运行主体的倒车雷达预警系统软件设计

基于单片机的倒车雷达预警系统软件设计主要采用了单一化和整体化2种结构类型，此设计主要运用C语言程序进行内容的编写，设计上由4方面构成，它们分别为主体部分设计、超声波的发送以及接收设计、报警预警设计、LED的内容显示设计。其主体部分的设计流程如图5所示[6]。

图5 以单片机为运行主体的雷达预警系统软件设计流程

其总体的设计思路为当汽车挂上倒挡后，整个系统开始运行，自动对定时器、中断系统等各种装置进行调试操作，待单片机经端口发出40kHz脉冲信号后，等待信号中断，自动进行超声波测距，并显示测距结果，利用测距结果进行语音报警提醒，完成整套程序。这即为单片机的倒车雷达预警系统软件部分的总体思路。

3.1 声速的温度补偿算法

超声波速度的传播与环境温度有着极大的关联。为了减少系统的差错，提升运行的准确程度，满足实际生活中不同环境的测距需要，因此在硬件电路上可以将声速的温度补偿考虑进来，增加测量外部环境温度的环节。单片机测量出外部的实际温度，再算出超声波传播的速度，由声速的温度补偿算法C=331.4 + 0.61t进行系统的分析，在不需要其他设备成本的基础上，推算出测量值与实际值之间的关系规律等，再对软件系统进行操作处理减少测量值与实际值之间的差距，使数据趋于合理，以此提升测量的精准度和运行的稳定度。其声速的温度补偿算法中的t为环境温度。

3.2 超声波在发射与接收方面的相关软件

整个设计所采用的超声波发送软件为型号CSB40T的系统，所采用的接收软件为与发送软件适配的CSB40R系统，超声波的发送以及接收软件在测量车体与障碍物之间的距离、向外界发送信号进行通信以及定向操作上都有着不可估量的作用，它对外界发挥的作用都是极大的。整个系统的第一脚外接L1，发送电路以及接收电路等方面的运行频率主要由C1决定，它的运行频率为f0=1/(2×√L1C1)，通过变电感 L1电容 C1的值可以使超声波信号的固定值40 kHz进行改变。发送以及接收电路的状态由具体操作可以进行转换，当CSB40T的8脚为高电平的情况下，CSB40R属于发射状态。当CSB40T的8脚为低电平的情况下，CSB40R属于接收状态。其中重要的方面是当单片机与整个系统进行连接时要进行5-12 V电平的转换，当型号为CSB40T进行发射操作时，变感器以及电路的运行频率转换为振荡操作，经振荡操作过后的信号进行输出，并由此驱动放大后从13脚输出经由6脚输出，其中3脚与6脚之间所缠绕的变换器的匝数与超声波传感器的阻抗有关，超声波的接收软件通常将接收到的超声波信号经电容耦合后利用4脚接入，在经过放大操作后与1脚的回路形成的信号共同放进检测器中。当系统检测到超声波有回波信号时，CSB40T接入的14脚将转换为低电平，单片机的计步程序也将停止运行。以上为超声波的发送以及接收的软件。

3.3 语音报警程序

LED显示电路的作用为显示距离的大小，它主要使用2位的LED数码管动态扫描的方式进行，系统的准确程度极高，可以精确到0.1m。语音报警程序主要利用语音播放模块来进行人声语音报警，主要在以下4种情况下进行语音报警。第一种为超声波探头检测到车体离障碍物的距离小于5m的情况下，语音系统自动开启进行播报，提醒司机车体与障碍物之间的距离大小。第二种为超声波探头检测到车体离障碍物的距离小于3m的情况下，语音系统将提醒司机注意安全且将会向司机播报车体与离障碍物之间的距离。第三种为测试时发现车辆本身与障碍物的距离小于1.5m，在此种情形下，语音系统将提示司机车体离障碍物的距离并告知已经达到危险距离，应小心进行操作，防止意外的发生。第四种为检测系统在预知整体的距离小于0.3m的情况下，语音系统将不会告知司机离障碍物的距离，而是不断播报停车提醒，以引起司机的注意并进行立即停车操作，语音报警系统的程序选用来自华邦公司的型号为ISD2560的芯片，它可以利用说明书上的方法根据实际使用的需要来进行录收音的设置，并利用语音的更改来录入需要的报警提醒，使用单片机的主程序对更改后的语音报警系统进行驱动处理，将放音地址与实际需求地址适配，以此来告知司机达到预警效果。

4 系统技术测试

倒车雷达预警系统设计完成后，需对整套操作进行测试检验，以此验证此设计是否具有可操作性和实用性。在操作时需要利用Proteus以及KEIL软件来仿真处理，仿真处理后进行实物仿照，仿照后进行测试，测试场地应选用较为空旷的地域，将汽车挂上倒挡，进行倒车操作，利用汽车倒车雷达测距逐渐接近障碍物，注意是否能够满足设计需求[7]。测试具体结果及其距离大小如表1所示。

表1 雷达预警系统测试结果

由测试结果可知，倒车雷达预警系统能够满足此设计的需求，测试时能够准确地反映车体离障碍物之间的距离大小，语音预警时间合理，可以给司机充足的时间进行反应，达到了预期的设计目标。

5 总结

本文的设计主要由倒车雷达预警系统的硬件和软件两方面构成，利用了超声波和声速的温度补偿算法来进行测距，利用了语音报警程序来提示司机注意车体与障碍物之间的距离，其整套设计可操作性和实时性强，在内容上具有延展性，出错率低，系统的成本也较低，测量精度高，反应灵敏迅速，能够满足使用者的实际需要。从系统自身的角度来看，整套操作简单，便于司机进行倒车操作，对于汽车技术的发展具有很强的推动作用。从经济日趋发展的角度来看，这套设计能够满足使用者的需求。因此该系统具有一定应用价值，能够推动整个汽车行业的长足发展。