２０１６年１１月 内蒙古科技与经济 Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１６ Ｎｏ．２１ Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．３６７ 第２ｌ期总第３６７期 基于５ １单片机超声波测距仪倒车雷达报警装置设计 付雪健，孟俊焕 （德州学院，山东德州 ２５３０２３） 摘 要：一款倒车雷达报警装置可以随时提醒司机前后障碍区的距离状况，保证司机的安全，倒车 仪雷达报警主要采用５１单片机、超声波测距模块构成；５１单片机作为主芯片，利用超声波测算出距离， 当超声波遇见汽车前后的障碍物，再利用单片机处理运行，并且通过设置距离来比较大小，当低于设定 值单片机ＳＴＣ８９Ｃ５１将发出命令控制蜂鸣器报警。 关键词：超声波传感器；ｓＴｃ８９Ｃ５１单片机；蜂鸣器 中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—６９２１（２０１６）２１ ００９３一Ｏ２ １项目研究背景及意义 由于色彩、阳光等方面对超声波测距技术的影 单片机作为整体系统设计中心单元，因此系统的应用 需要单片机运行是关键的。单片机应用系统也是由 软件与硬件构成。５１单片机、外围电路、输入／输出 系统组成了单片机应用系统；单片机应用系统设计包 含硬件设计与软件设计、总体设计等。此倒车雷达装 置系统的核心单元是ＳＴＣ８９Ｃ５１，装置实测距离与系 统设置的距离不符合时，装置主控芯片就会将实测距 离与设定距离比较处理，小于设定距离会启动蜂呜器 报警。图ｌ为装置系统总体设计方框图。 ３硬件实现及单元电路设计 ３．１ 主控制模块 响很小且可以忽视不计。对于面临潮湿、高温、低温 等恶劣的环境下，拥有耐用、抗污染、少维护等优势。 所以可以对于矿业、化工、环境监、水文、空间定位、 食品、等行业中；范围精度的在线校准可以在不同的 环境下进行，可以直接通过使用水、糖、酒、饮料和其 他液体液位控制，可以配置运行设定，还可以直接显 示各种液位灌液位、料位。因此，超声波可用于恶劣 环境下的空气测距进行广泛的推广。计算简单、易 于控制，通过利用超声波检测技术，且超声波检测技 术测量精度可以实现在工业应用。因此可移动机器 人安装超声波测距系统后，可以随时的自动的躲避 障碍物，另外获取到障碍物的距离与方向。超声波 能够在机器人上得到广泛的推广。超声波拥有一系 列优势，所以基于单片机的超声波测距倒车雷达在 汽车方面可以有广泛的应用。 ２ 总体设计方案及论证 主控制最小系统电路如图２所示。 ；三＾ｊ 吣 ４ 三；８ ＝９ 皇一¨一旺～ 一¨一晦一 ｎ～一晾～ ～蝴㈨ ｎ ¨． ￡Ｌ ｊ ｓ－ ０ｕｒ ・ ｊｌ ４ ｊｆ ；主 主主 ］＇ｒｉｇ Ｅｃｈｏ Ｐ３４ Ｐ３５ Ｐ３６ ｌ＇３７ 黑 璐 矗 ｌ。Ｋ ㈨２１ 新强 Ｎ孙 ● Ｐ２３ Ｉ ！： Ｐ２ｌ Ｐ２０ ・ｃ２ （＿ｔ Ｙ１Ｍ ｏ Ｊｔｄ／．ｌ２．【 ） 图２最小系统 从图２可以得出在此设计中需要用到如下的器 件：超声波传感器、四位数码管、按键、ＳＴＣ８９Ｃ５１、 蜂鸣器等部件电路。另外ＤＩ是电源的工作指示 灯。且电路所用到了３个按键、１个加键、１个减键。 ３．２ 电源设计 电源部分的设计采用ＵＳＢ线供电。 ３．３ 超声波测试模块 图１ 系统方框图 通过使用ＴＣ—ＳＲ０４超声模块在倒车雷达装置 本次方案设计包括软件与硬件两个部分。模块 分为按键控制、数据采集、数码管显示、报警等模块。 电路的结构分为：蜂鸣器、传感器、单片机控制电路。 上，它可以显示５ｃｍ～４００ｃｍ ｄｅ非接触式感测距离， 拥有很高的测距精度。控制电路、超声波发射器和接 收器构成一个模块。它工作的基本操作理论是：超声 收稿日期：２０１６—０８—１８ 作者简介：付雪健（１９９３一），交通运输（汽车运用工程）专业，就职于德州学院。 ・ ９３ ・ 总第３６７期 波测试模块ＩＯ口的触发位置不仅显示超过２０ｕｓ高 电平信号，该模块自身可以对８个４０ｋＨｚ的信号检测 与传输。该模块操作运行原理：当触发ＩＯ口的输入 端口位置，供给＞１０ｕｓ的高电平的信号，且有８个 ４０ｋＨｚ方波信号被检测、回报；信号返回，利用ＩＯ口 ＥＣＨＯ输出高电平信号，超声波发射和返回时间段便 是高电平显示的时间。超声波模块实物见图３。 ＶＣＣ为５ｖ电压，ＧＮＤ是地线，ＴＲＩＧ是触发控制信 号输入，ＥＣＨＯ是回响信号传输的四支线。 图３超声波模块实物图 ３．４超声波传感器原理 目前市场流行开放型式超声波传感器，如图４ 所示的内部结构，底座固定在复合振子上。一种复 合型振子的谐振器、片金属和压电陶瓷板。该谐振 器具有由振动辐射的辐射，和超声波可以组装在振 动的部分。当使用压电陶瓷时，随着频率与电 压变化，出现机械式变形。压电陶瓷也会产出电荷， 当它发生震动后。因此依据这一原理，振动器有２ 个压电陶瓷或一种压电陶瓷和一个金属片，称为双 压电晶片元件，施加一个信号，它会发出超声波振动 由于弯曲。相反，当超声波振动施加到压电元件时， 产生一个电信号。基于上述功能，压电陶瓷可以成 为一种超声波传感器。 图４超声波内部结构 超声波作为一种机械振动，在弹性介质中的频 率＞２０ｋＨｚ，分为横向震动与纵向震动；超声波在气 体、液体和固体有不同的传播速度，且在这３中介质 的传播速度都是逐渐衰减的。 ３．５ 测距分析 当超声波发射器发射超声波时，同时也开始计 算时间，传输过程中的超声波遇到障碍物立刻反射， 反射波会传送到超声波的接收器，接收器同时也会 停止计时。超声波在空气的传输速度是３４０ｍ／ｓ，根 据计时器显示的时间ｔ，可以得出障碍物和车的距 离（ｓ），即：ｓ一３４０ｔ／２。 因为超声波是一种声波，它的传播速度和温度 息息相关。如果介质温度变化是非常小的就可以大 体认为超声波的传播速度是没有变化的。假如对于 测量的距离精度要求严格，那么，也可以利用温度补 ・ ９４ ・ 内蒙古科技与经济 偿方法实现把所得数值结果纠正处理。超声波的速 度确定后，再计算超声波往返时间，后通过单片机控 制单元得出障碍物与车辆的距离。见图５是超声波 测距仪的基本工作原理。 ——— ＿— 超声波发射 障碍物 』 ／ 超声波接收 图５超声波的测距原理 ３．６ 复位电路的设计 手动复位与自动复位外键作为复位的方法，时 钟电路在工作运行时，复位侧的机器会提供高功率 才可以顺利地完成复位操作。比如，当晶振的频率 是１２ＭＨｚ，复位的信号持续时间＞２ｕｓ。见图６是 设计中所设计的自动复位电路。 Ｖｃｃ 工 ■＝＝－ ＧＮＤ 图６复位电路图 ３．７ 声音报警电路的设计 如下图所示，一个扬声器和晶体管，电阻接到 Ｐ２３单片机引脚，构成一个声音报警电路，如图７所 示的声音报警电路。 图７声音报警电路图 （下转第９６页） 总第３６７期 ｒｉａｎ。其球坐标数据的采用频点为６ｏ／（４００／ＩＯ０）取 其整数为１５；即每隔１５ｓ采用一次球坐标数据用于 计算计算层风。常规计算法为一分钟即６０ｓ采用一 次球坐标数据用于计算计算层风。 内蒙古科技与经济 量平均。由雷达测风风速矢量随机误差的计算公式： ０ 一 ｒ ｎ２ ］ △￡ Ｌ ｌＨ Ｑ ＋Ｈ ＋ 十 Ｊ 可知，在一次观测中，风矢量随机误差与计算间 隔Ａｔ、距离精度ｄ 和角度精度 、ｄｅ有关，且与计 算间隔成反比，与距离精度和角度精度成正比。其 中距离精度 ｗ和角度精度 、嘞是雷达的硬件指 标，在间隔滑动计算法中，进行相减的两组数据（由 雷达探测数据而得）之间的间隔时间△ｔ并没有改 变。因此，间隔滑动计算法对雷达测风误差并没有 影响。 ６ 结束语 现在气象雷达的探测数据是一种高密度资料， 充分利用这种数据，对高空风会有更全面、更具体的 图１ 常规算法与间隔滑动算法对比曲线 对两种算法所得风速值我们进行比较分析：①由 于间隔滑动计算法比常规法采用的数据密度大，它的 计算层风的数据密度相应的ｔｔｚ较大，由图１可看出反 映风的连续变化过程，而常规计算法却不能。如图 １：在量得风层时间１ｍｉｎ３０ｓ到２ｍｉｎ３０ｓ之间常规计 算法风速从１．Ｏｖ／ｓ直接跳到２．２ｖ／ｓ，而通过间隔滑 动计算法可看出风速从１．Ｏｖ／ｓ变化到２．２ｖ／ｓ是先减 ／Ｊ、后增大至Ｕ ２．Ｚｖ／ｓ，即１．Ｏｖ／ｓ、０．７ｖ／Ｓ、０．５ｖ／ｓ、１．Ｚｖ／ ｓ、２．２ｖ／ｓ。这样通过内插法计算规定高度上的风速 结果也必然不同。②对比图可看出在０～２０ｒａｉｎ内两 种方法所计算的计算层风风速最大值出现的时间不 同，因此最大风速对应高度也就不同。从图１可以看 出常规计算法计算层风风速在量得风层时间 １３ｍｉｎ３０ｓ风速达到最大值为２１．３ｖ／ｓ，间隔滑动计算 法计算层风风速在１３ｍｉｎ１５ｓ和１３ｍｉｎ４５ｓ处风速值 都为２１．４ｖ／ｓ是最大值。 风向的算法和风速的算法相似，只是引用的公 式不同，在此就不举例说明。 ５ 间隔滑动计算法测风误差分析 计算层风的计算结果是一定厚度气层中风的矢 （上接第９４页） ４ 软件设计 根据工作原理和硬件结构分析，可以总结出，该 系统主程序工作流程图如下图８所示。 了解。常规的计算法处理气象雷达的探测数据，得 出的结果是粗糙的，不能反映风速变化的详细情况， 显然不能达到这个要求。而间隔滑动计算法却能利 用探测数据的高密度，使计算结果更详实地反映风 速变化。提高了试验数据的准确度。随着电子技术 和计算机技术的发展，新的大气探测设备比以前的 探测设备有了较好的性能，特别是在迅速采集与处 理大量的数据资料方面，因此如何使用好这些资料， 是大气探测学面临的一个新的课题。 ［参考文献］ ｒ－１］ 林晔．大气探测学教程［Ｍ］．北京：北京气象出 版社，１９９５． ［２］ 中国气象局监测网络司．Ｌ波段（１型）高空气 象探测系统业务操作手册［Ｍ］．北京：气象出 版社，２００５． ［３］ 孙敏峰，马舒庆，余莅萍，等．大桥厂Ｉ 波段二 次测风雷达系统业务试运行期间探测对比分 析［Ａ］．首届气象仪器与观测技术交流和研讨 会学术论文集［ｃ］．海口：中国气象学会， ２００ｌ：７０～７４． ５ 总结 本设计基于单片机技术的超声波测距报警系 统。其中以ＳＴＣ８９Ｃ５１是系统的工作处理单元的 核心；同时为了及时探测车辆与前后障碍物的距离， 利用超声波传感器作为新式的被动式超声波探测装 置，它可以将距离转换为电信号传送给工作单元处 理。此次超声波智能测距报警系统可以帮助用户能 够简单、灵活的操作，另外报警装置有成本低、安装 简单、智能化程度高、误报率低等优势。目前，人们 的安全意识提高，超声波测距报警装置在车辆领域 可以得到更深层的应用。 ［参考文献］ ［１］ 吴政江．单片机控制红外线防盗报警器［Ｊ］．电 子制作，２００６，（１２）． ［２］ 宋文绪．传感器装置与检测技术［Ｍ］．北京：高 等教育出版社，２００４． ［３］ 余锡存．单片机原理及接口技术［Ｍ］．西安：西 安电子科技大学出版社，２０００． ［４］ 唐桃波．基于ＡＴ８９Ｃ５１的智能无线安防报警 器［Ｊ］．电子设计应用，２００３，５（６）：４９～５１． 图８主程序工作流程图 ・ ９６ ・ ［５］ 李全利．基于单片机的倒车雷达技术［Ｍ］．北 京：北京航空航天大学出版社，２００４．
