超声波倒车雷达原理
1 超声波倒车雷系统组成及工作原理
倒车防撞预警系统由四路收发一体封闭(防水)型超声波传感器及其超声波发射与回波接收电路、超声波电信号放大电路、单片机控制电路、LED数码管显示电路和蜂鸣器声音报警电路组成。系统组成框图如图1所示。
当汽车倒车时由倒车换挡装置自动接通超声波倒车雷系统电源，系统上电复位，进入工作状态。单片机编程产生一串40 kHz的矩形脉冲电压，经四选一模拟开关加到超声波发射与回波接收电路，经放大驱动超声波传感器发射出超声波，同时单片机开始计时。发射出的超声波碰到障碍物后形成反射波，部分反射波返回作用于超声波传感器，经超声波传感器的声／电转换，变成微弱的电信号，该微弱的电信号经放大、整形产生负跳变电压，向单片机发出中断申请。单片机收到中断申请的信号后，立即响应中断，执行外部中断服务程序，停止计时，得到超声波发送和返回的时间T，计算出发射点离障碍物的距离S，即：S=(C·T)／2。C是超声波在空气中的传播速度，在常温25℃时，C约为346 m／s。若发射出的超声波在测距范围内未遇到障碍物，直到单片机定时中断产生，执行定时中断服务程序，选择下一路，依次按后左路、后左中路、后右中路、后右路的顺序继续发射和接收超声波，并经过计算处理。四路探测处理完毕，选择四路中测出的最小距离值通过LED数码管显示出来。当最小距离值小于预先设定的报警距离时，单片机接通蜂鸣器的电源，蜂鸣器发出报警声。若四路探测无回波中断申请，则显示“-．--”，表明在安全距离内没有障碍物，再继续下一轮的循环探测处理。
2 超声波倒车雷系统硬件电路的设计
2.1 超声波发射与回波接收电路 超声波发射与回波接收电路的主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压幅值，有效地进行电／声转换，增大超声波的发射距离，并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号。超声波发射与回波接收电路如图2所示(画出一路，其他三路与该路一样)。
EFR40RS是收发一体封闭(防水)型超声波传感器，其中心频率f0=(40．0±1．0)kHz，-3 dB带宽1 kHz。驱动电压峰一峰值要求60～150 V。CD4052是双路四选一模拟开关，单片机的P3．4和P3．5端口输出选通信号，单片机的P3．3端口输出一串40 kHz的脉冲电压，通过CD4052的X路加到选通的开关三极管Q1基极，经脉冲变压器T1升压至100 VP-P左右，驱动超声波传感器EFR40RS发射超声波。发射时的脉冲电压幅值大小直接影响测距的远近，应采用超声波专用的脉冲变压器。反射回的超声波经原收发一体封闭型超声波传感器变成毫伏级的一串脉冲电信号。由于回波电信号的幅值小，VD3和VD4二极管截止，该信号不会通过T1变压器副边线圈形成短路。VD1和VD2二极管也截止，所以回波电信号经R1和C1，通过CD4052的Y路送到超声波电信号放大与整形电路。R1和VD1，VD2组成双向限幅电路，避免发射时的大信号造成超声波放大与整形电路阻塞，甚至损坏电路。
2．2 超声波电信号放大电路 超声波电信号放大电路采用集成电路CX20106A构成。CX20106A是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路。通过外部所接电阻，将其内部带通滤波电路的中心频率f0设置为40 kHz，就可以接收放大超声波电信号，并整形输出负脉冲电压。
超声波测距应用电路图如图3所示。1脚是超声波电信号输入端，2脚与地之间连接RC串联网络，是内部前置放大电路负反馈网络的组成部分。电阻R5的数值确定前置放大电路的增益。R5电阻值减小，负反馈减弱，放大倍数增大；反之，则放大倍数减小。3脚与地之间连接检波电容C3，适当改变电容C3的大小，可以改变超声波电信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。C3电容量大，灵敏度低，抗干扰能力强；C3容量小，灵敏度高，抗干扰能力弱，易造成误动作。5脚与电源间接入一个电阻，用以设置内部带通滤波电路的中心频率f0。 当R6=200 kΩ时，f0=40 kHz。6脚与地之间接一个积分电容，标准值为330 pF。如果该电容值取得太大，会使探测距离变短。7脚是电路集电极开路输出端，R7是该引脚的上拉电阻。集成电路CX20106A无信号输入时，7脚输出高电平，当输入的超声波电信号经放大、整形后，7脚输出一个负脉冲电压。 2.3 单片机控制电路和显示、报警电路 电路图如图4所示。由于系统用到单片机的输入／输出端口不多，在不考虑功能扩展时，从功能够用和低成本的角度考虑，采用AT89C2051单片机作为控制电路的核心器件。AT89C2051单片机共有20个引脚，其中有15个I／O端口(P3．6无引出脚)。两个16位定时器／计数器，其体积小、价格低。采用12 MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机的P3．3端口周期性的输出一串40 kHz的矩形脉冲，通过双路四选一模拟开关CD4052周期性地加到四路超声波发射与回波接收电路。单片机的P3．4和P3．5端口输出双路四选一模拟开关CD4052的选通信号。单片机的P3．2端口为外部中断0中断申请信号输入端。三位LED数码管采用动态扫描显示。U4的小数点常亮，U4的单位为m，U5的单位为dm，U6的单位为cm。采用有源蜂鸣器作为报警发音器件，一是器件成本低，二是便于动态扫描显示的软件编程。
3 系统软件的设计
系统软件采用模块化设计，方便扩展移植。采用汇编语言编程。主要有主程序、T0中断服务程序、外部中断0服务程序、超声波发生子程序。
3.1 主程序 本系统有四路测距通道，采用分时工作，按后左一后左中一后右中一后右顺序循环测距。每一路发射超声波后的等待外部中断时间应大于超声波在最大有效探测距离内往返时间。所以按最大有效探测距离可以估算出最短的循环间隔时间。因为超声波在空气中传播能量会不断衰减，所以超声波测距存在最大有效探测距离。这最大有效探测距离与多种因数有关： 与超声波传感器性能的好坏、与驱动超声波传感器的脉冲电压幅值(功率)的大小、障碍物大小和形状、障碍物吸波特性以及反射波与入射波之间的夹角、与超声波放大和整形电路的灵敏度等有关。设定最大有效探测距离为8 m(收发一体封闭型超声波传感器比较难达到，实际上也没有必要探测很远的障碍物，只是设计留有裕量。由于显示位数有限，也必须对最大探测距离做限制)，则循环工作的间隔时间Tm=2S／C=2×8／346 ms，加上避免接收超声波传感器余振的延时和程序执行时间，留足裕量，设定Tm△56 ms。
主程序流程图如图5所示。首先是对系统初始化。端口p1．0、P3．3置0；设置堆栈，中断允许总控制位EA允许中断(EA=1)；允许外部中断0中断(EX0=1)，采用边沿触发方式(IT0=1)；设置定时器T0允许中断(ET0=1)，以16位工作方式定时约56 ms；设置定时器T1以16位工作方式定时／计数，计数初值0000H，然后启动T0定时。设置显示数据初值为三位BCD码999(cm)，对应字形段码显示“---”。四路探测处理完毕后，将四组数据中的最小值送入显示缓冲区，通过LED数码管显示。同时该值与设定的100 cm值比较，若四组数据中的最小值小于100 ，P3．7端口置0，Q2三极管导通，有源蜂鸣器得电发出报警声。 由于单片机采用12 MHz的晶振，1个机器周期为1μs，所以计数器每计一个数就是1μs，定时器T1工作模式设置为16位定时／计数器模式，则其最大定时65．536 ms。由于定时器T0每56 ms产生中断，执行T0中断服务程序时停止T1计时，所以T1计时不会产生溢出中断。一轮四路探测处理完毕所用时间大约是56 ms×4=224 ms，用时很短，而倒车速度又比较慢，所以可以做到实时动态显示。
3.2 T0中断服务程序 T0中断服务程序流程图如图6所示。每隔56 ms分别按后左→后左中→后右中→后右顺序选通下一路超声波发射与回波接收电路，调用超声波发生子程序，送出10 kHz的超声波脉冲电压，定时器T1开始计时，定时器T0开始定时56 ms，使每路工作56 ms。
为了避免接收到超声波传感器余振的直射波产生的中断申请，延时2．8 ms后，才允许外部中断0中断，等待接收返回的超声波信号。所以，最小探测距离(盲区)Smin=Ct／2=346×0．002 8／2△0．48 m。四路探测处理完毕，将四路中最小值送入显示缓冲区。若在四路探测中有些路在有效探测范围内发射的超声波未遇障碍物，无返回波，外部中断0不产生中断申请信号，或者是进入探测盲区，外部中断0产生的中断申请不被受理，则定时器T1计时到定时器T0产生中断，在T0中断服务程序中，用三位BCD码999(三位十进制数最大值999 cm)置够四组数据。若显示缓冲区的四组数据都是999时，则对应字形段码显示“---”。倒车伊始，LED数码显示器就显示“-．--”，表明在安全距离内没有障碍物；若发出报警声后，又显示“-．--”，表明进入了探测盲区。
3.3 外部中断0服务程序 外部中断O服务程序流程图如图7所示。单片机一旦接收到返回超声波信号(即INT0引脚由高电平跳变为低电平)，立即进入外部中断0服务程序。首先停止定时器T1计时，禁止外部中断0中断。然后将定时器T1中的数N，也即将超声波往返所用的时间N(单位：μs)，按式S=CT／2=(346 x N×10-6)／2=173×N÷10 000计算，即得被测物的距离(单位：cm)，将计算结果以百位十位、个位BCD码方式送入比较大小的缓冲区，以备比较大小使用。然后等待定时器T0定时56 ms中断的产生，继续下一路的探测处理。
3.4 超声波发生子程序 超声波发生子程序通过P3．3端口发送16个周期是25μs(即频率40 kHz，1个周期内高电平持续13μs、低电平持续12 μs)的矩形脉冲电压。脉冲串个数在10～20个比较合适。脉冲个数太少，发射强度小，探测距离短；脉冲个数太多，发射持续时间长，在离障碍物距离近时，脉冲串尚未发射完毕，先发射出去的脉冲产生的回波就到达接收端，影响测距结果，造成测距盲区增大。
4 实现应用分析
本系统在实验室条件下进行了可行性的研究设计，要实际应用中就必须考虑测量精度和工作稳定性的问题。因此，本系统可采取几项措施来提高测量精度和工作稳定性。
(1)超声波的传播速度与温度有关。为了适应不同环境温度下的测距需要，提高测量精度，硬件电路上可增加检测车外环境温度的环节。单片机根据实测的温度值，再计算确定超声波的传播速度，即C=331．4+0．6lt。t是环境温度。或者在不增加硬件成本情况下，可考虑通过实验数据分析，找到测量值与实际值偏差特点和规律，通过软件编程对测量数据进行校正处理。
(2)软件设计中采用数字滤波中的算术平均滤波程序对每个测距点进行连续多次测量，取平均值作为该测距点的测量数据，以提高数据采样的可靠性。要尽量减小探测盲区，所设定的延时时间可根据实际所用超声波传感器余振时间而定，可在实际调试中确定最小延时时间。
(3)倒车雷达安装在车上，倒车雷达的工作环境非常恶劣，汽车倒车工作时，高压点火产生很强的电磁辐射，会影响电路正常工作。所以在硬件及软件方面要考虑采取抗干扰措施，提高系统工作的可靠性。如用金属壳屏蔽电路，采用屏蔽线连接超声波传感器；在满足测量距离的情况下，可适当调大超声波电信号放大和整形电路中检波电容C3的容量。硬件上可增加“看门狗”电路，软件设计添加指令冗余软件陷阱、或设置软件“看门狗”，防止程序“跑飞”或者进入死循环。对于驾驶员来说，倒车时主要关心的是车后方有无障碍物、以及障碍物离车大约有多远等问题。由于车子制动时存在惯性，倒车遇到障碍物时，驾驶员总要提前制动。考虑性价比，倒车雷达测量精度不必很高。但从倒车安全考虑，此时的测量显示值宁大勿小。
5 结 语
本系统充分利用了单片机的内部资源，用软件编程产生超声波矩形脉冲，代替硬件的超声波发生电路，节省了硬件成本。采用一块集成器件实现超声波接收放大和整形，避免了采用多级集成运放组成高增益放大电路易产生自激等问题。实验表明设计可行。在不增加硬件成本时，通过完善软件设计，可提高系统测量精度和工作的可靠性，能够满足使用要求。在考虑功能扩展时，可以采用带“看门狗”的AT89S52单片机，以增加扩展端口。在超声波测距的基础上，如可增加防盗报警功能、车载蓄电池电压检测功能等，若增加微型摄像头和小型液晶显示器，便成为可直接观察车后方的可视倒车雷达。本系统实用性强，性价比高。