隋美麗，劉敏杰，成林，王谷娜

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，北京 100071）

引言

超聲測距傳感器因其價格較低，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，在介質(zhì)中傳播距離短等優(yōu)點作為倒車傳感器廣泛使用[1][2]。超聲測距技術(shù)是采用超聲傳感器發(fā)送超聲波，并測量汽車泊車或轉(zhuǎn)彎時汽車尾部與障礙物之間反射回波的時間，計算出距離，同時，通過蜂鳴器報警提醒駕駛員，以此了解汽車行駛的危險程度，減少倒車引起的事故發(fā)生率[3]。

目前在中高端轎車上廣泛應(yīng)用倒車系統(tǒng)呈現(xiàn)智能化、可視化和集成化的發(fā)展，而在中低端車上鮮有應(yīng)用。倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)因其集成度高、測量范圍廣、成本低等特點，可應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型家庭轎車中[4]。本文采用AVR單片機(jī)系列中Atmega16作為主控芯片，超聲波測距為距離測量模塊，數(shù)碼管為顯示模塊，搭建超聲波雷達(dá)測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)距離顯示和距離不同蜂鳴器發(fā)出不同頻率的報警聲，精度達(dá)到厘米級。該設(shè)計還可以應(yīng)用在機(jī)器人躲避障礙物、盲人導(dǎo)航、車間設(shè)備定位等系統(tǒng)中[5][6]。

1 超聲波測距的原理

超聲波的產(chǎn)生是在電壓激勵作用下?lián)Q能晶片發(fā)生振動而產(chǎn)生頻率高于20kHz的聲波，振動頻率高于聲波的機(jī)械波，該波具有頻率高、波長短、方向性好的特點，超聲波傳感器是利用超聲波這一特性制成的傳感器。目前，渡越時間法檢測原理比相位檢測法和聲波檢測法具有檢測簡單，反射回波干擾少的特點，多被應(yīng)用到超聲波測距的基本原理中[5]。測試原理是通過定時器從超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波開始計時到超聲波接收器接到反射回波結(jié)束，通過計時器記錄的時間和超聲波在空氣中傳播的速度，就可以計算出發(fā)射點距障礙物之間的距離。

2 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計方案

為實現(xiàn)到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，控制模塊采用ATmega16作為主控制芯片，該芯片有存儲空間大，擴(kuò)展性強(qiáng)，使用性靈活，操作方便，價格低廉的特點[7]。ATmega16單片機(jī)向超聲波測距模塊發(fā)送測距指令，超波測距模塊的發(fā)射裝置和接收裝置開始工作，并將發(fā)射和接收的信號時間差返回到主控芯片，主控芯片根據(jù)返回的檢測信號計算車尾到障礙的距離，并通過數(shù)碼管將距離顯示出來，當(dāng)車尾到障礙的距離少于30CM時，給蜂鳴器發(fā)動報警指令，蜂鳴器開始報警，隨著距離越來越近，蜂鳴聲的頻率越來越高。超聲波測距總體框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測距總體框圖

2.2 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本超聲波測距系統(tǒng)硬件組單片機(jī)及其控制電路、超聲波測距模塊、數(shù)碼管顯示模塊以及蜂鳴器報警模塊組成，并通過外圍電路的設(shè)計，完成超聲測距的功能。

2.2.1 ATmega16 單片機(jī)及其控制電路

ATmega16單片機(jī)具有功耗低、數(shù)據(jù)吞吐率高、低成本和應(yīng)用靈活等特點，廣泛地應(yīng)用到許多嵌入式控制系統(tǒng)中[8]。系統(tǒng)采用ATmega16芯片的PC0口是數(shù)據(jù)傳輸端，輸出方波信號使超聲波模塊可以正常工作，PC1口是數(shù)據(jù)接收端，用于接收超聲波模塊返回的信號，芯片的PC0口接在超聲波模塊的Trig端，ATmega16的PC1口接在超聲波模塊的Echo端；蜂鳴器模塊則在單片機(jī)中接在 PD5端口；PB4、PB5、PB6、PB7控制數(shù)碼管顯示，PB0、PB1、PB2、PB3控制數(shù)碼管刷新接口。

2.2.2 超射波測距模塊

超射波測距模塊的型號為US-100，可實現(xiàn)非接觸測距，范圍為2cm-4m，電壓輸入范圍2.4-5.5v，靜態(tài)功耗低于2mA。該模塊包含超聲波發(fā)射、接受和測量發(fā)射到返回所度過時間的功能，自帶溫度傳感器修正測距結(jié)果的功能，通過Atmega16單片機(jī)端C口的I/O控制Trig觸發(fā)一個10μs以上的高電平后，模塊自動發(fā)動8個40KHz的方波，然后檢測是否有返回的聲波，當(dāng)有回響信號返回時，回響信號輸出高電平，并用高電平的持續(xù)時間計量聲波度過的時間，就可以計量測試的距離。

2.2.3 數(shù)碼管顯示模塊及其電路

發(fā)光二極管（LED）是一種極低功耗顯示器，本系統(tǒng)采用的LED顯示模塊，LED數(shù)碼管里有八個發(fā)光二極管和一個小數(shù)點顯示，分別為a、b、c、d、e、f、g和dp，每個發(fā)光二極管將一根電極引到外部的引腳上，另一只引腳引到外部連接在一起記作公共端（COM）。在數(shù)碼管的顯示方式上采用了靜態(tài)顯示的方式，該數(shù)碼管通斷是通過三極管實現(xiàn)的。

2.2.4 蜂鳴器報警模塊及其電路

在報警模塊的電路中，利用三極管開關(guān)作用控制揚聲器的報警，并根據(jù)障礙物的距離不同，改變揚聲器發(fā)出的聲音頻率，揚聲器控制電路如圖6所示，其中電阻R6是防止電流過大燒壞三極管的保護(hù)作用，該模塊工作電壓5V。

2.2.5 下載接口電路

設(shè)計中采用ISP協(xié)議下載接口來燒錄程序。采用標(biāo)準(zhǔn)SPI（serial peripheral interface串行外圍設(shè)備接口SPI總線技術(shù)）接口，該接口采用主從方式工作，一般使用4條線：由主機(jī)產(chǎn)生的串行時鐘線（SCK）、主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和由主機(jī)控制的低電平有效從機(jī)選擇線SS。根據(jù)這4個端口和AVRmega16端口，所連接的端口為MISO，VCC，SCK，MOSI，RESET，GND，下載程序的時候使用的是com2口。

2.3 超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本設(shè)計使用Atmel Studio 6.0的開發(fā)環(huán)境，整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是測量距離，影響測量精度的主要因素是余波干擾，設(shè)計程序的時候添加算法，減少和消除干擾。當(dāng)芯片收到聲波時自動判斷是否為發(fā)射聲波的衍射聲波，如果是芯片中的程序就會自動忽略掉這段信號，然后繼續(xù)等待檢測在這個工作周期內(nèi)是否有效聲波反射回來。有的話處理信號，如果沒有就進(jìn)行一次新的測量，減少余波信號干擾。軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距流程圖

ATmega16芯片中存在T0、T1、T2三個時鐘同時工作，時鐘 T0控制超聲波的發(fā)生時效，控制晶體管刷新頻率，及時地觀測倒車距離并接收到倒車報警信息；時鐘 T1控制蜂鳴器報警響聲頻率，在不同的距離發(fā)出不同頻率的聲響，時鐘 T2用來計量超聲波發(fā)射和反射回波的時間，然后用芯片通過公式計算出實際的距離，聲速值為340 m/s。

3 超聲波測距系統(tǒng)的組裝與調(diào)試

將程序?qū)懭氲紸VR芯片和US-100型的超聲波測距傳感器模塊為主體組裝構(gòu)成超聲波測距模塊中心頻率是基本穩(wěn)定在40 kHz。進(jìn)行實際測量得到的結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

由表1可以看出系統(tǒng)計算測量的距離和實際距離具有一定誤差，產(chǎn)生的原因可能是：環(huán)境的溫度所引起的誤差，溫差比較大的時候兩次測量的結(jié)果誤差比較大；不同障礙物表面材料的不同介質(zhì)引起的誤差，表面粗糙的障礙物介質(zhì)要比光滑介質(zhì)的測量結(jié)果要誤差要大，由于障礙物的發(fā)射面比較粗糙時，會使發(fā)射信號散射開，導(dǎo)致回波信號減弱；超聲波模塊的感應(yīng)角的影響，兩個超聲波探頭即發(fā)射探頭和接收探頭和障礙物之間存在一個幾何角度，聲波反射到探頭中會存在一定的角度，當(dāng)這個角度超過一定值時，就會是測量的誤差較大或根本檢測不到回波信號，當(dāng)障礙物的距離較小時，這個誤差會更加明顯；余波信號的影響，在測量時有一部分的聲波是從發(fā)射探頭直接轉(zhuǎn)收到接收探頭的，以上聲波即余波信號，余波對測量的干擾是比較大的。

4 結(jié)論

利用ATmega16芯片為主控芯片的倒車測距系統(tǒng)，使用對距離的精確要求并不是很高，主要起到警報的作用家庭轎車根據(jù)測試結(jié)果表明系統(tǒng)符合設(shè)計要求，測量記錄范圍為2-100cm，測量精度為厘米級，報警開始距離為30cm，低于10cm時，報警聲音持續(xù)蜂鳴，且聲音大，該測試系統(tǒng)可有效地提高駕駛員的注意力，并可用于機(jī)器人躲避障礙物、盲人導(dǎo)航、車間設(shè)備定位等系統(tǒng)中，符合設(shè)計要求。

該系統(tǒng)在設(shè)計過程中存在測量誤差，這種誤差的消除可選用采用溫度傳感器以外，可選用發(fā)射能力強(qiáng)、散射小的探頭。