汽车-倒车雷达设计

1、汽车倒车雷达设计来源：电子技术应用 作者：胡继胜 赵 力在现代社会中，随着汽车的增多和停车位日趋紧张，泊车 成为很多车主头痛的问题，这时倒车雷达就成了汽车的好助 手。倒车雷达是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直 观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车时 前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和 视线模糊的缺陷，提高了倒车的安全性。本文以 ATmega16 作为核心处理器，采用超声波原理测量出障碍物距车尾的垂直 距离。系统电路设计合理，工作稳定，性能良好，精度高，实 时检测速度快，在未来市场上将有一定的实用价值。1超声波测距原理超声测距的原理较简单，一般采用渡越

2、时间法，将超声传感 器安装在汽车尾部，则障碍物距车尾的垂直距离为：$="2(I)式(I)中' 为超声发射点与被测障螂物之间的距离"为声 波在介质中的传输速率，为超声波发射和超声波返 回的时间间隔？超声波的传播速度E受到空气中温度.湿度.压强 等因素的影响.其中受温度的影响较大.空气中声速与 温度的关系可表示为331.5 + 0.6 甸式(2)中，/摄氏度)为环境温度.为了提高测距精度，本系统通过温度补偿的方法对传播速 度加以校正。因此只要测量超声发射到超声返回的时间问隔 t及环境温度T,然后根据式(1)、式(2)即可计算出距离So2系统硬件设计本系统采用ATmega

3、16 AVR为控制核心，外围电路由超声 波发射电路、超声波接收电路、温度采集模块、声光报警电路、 液晶显示电路、接口电路及电源电路等部分组成。系统框图如 图1所示。JTAG接口模块超声波发射模块小电源模块图I倒车寄达系统框图2.1 核心控制模块Atmega16是Atmel公司近几年才推向市场的新一代高性 能、低功耗、高集成化的8位CMOS微控制器。由于其先进 的指令集以及单时钟周期指令执行时间，加上片内32个通用 工作寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得一条 指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，大大 提高了代码效率，运行速度比 AT89C51高出10倍。用于边 界扫描

4、的JTAG接口，可以对片上16 KB闪存Flash在线编 程和调试，非常方便软件的升级。内部集成了较大容量的存储 器和丰富强大的硬件接口电路，如定时/计数器、实时时钟、 快速PWM通道、A/D转换器、I2C的串行接口、可编程的串行USART接口、SPI串行接口和带片内晶振的可编程看门狗 定时器以及片内的模拟比较器等，除传感器外几乎可以不需要 其他任何元件即可构成系统，从而为本设计提供了灵活而低成 本的解决方案。其主控电路如图2所示。i 幽I777TJTiHFJEKMiO,士FfCk:vpmd H fO阴工制± I力电m/Tk04T*ITOWIir*7pmOiso2.2 超声波发射模块

5、超声波发射电路原理图如图3所示。发射电路主要由施密 特反向触发器CD40106和超声波发射换能器TCT40-10-T构 成，PD6的端口输出两路40 kHz脉冲信号，一路经一级反向 器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反向器后送 到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将脉冲信号加 到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采 用两个反向器并联，用以提高驱动能力，所得到的波形比其他 方式效果更理想。40106国工粕土流n时性执2.3 超声波接收模块超声波接收模块的作用是将反射的超声波转换成电压信号 并放大处理成标准的数字信号，然后输出给下一级电路。集成 电路CX20106是

6、一款红外线检波接收的专用芯片，它由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器和整型电 路组成。CX20106常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红 外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。如图 4所 示，超声波接收探头TCT40-10-R将接收到的反射超声波转 换成毫伏级电压信号，送入CX20106的1脚，CX20106的总 放大增益约为80 dB,实际增益由2脚外接电阻R2和电容 C1来决定，电阻R2越小或电容C1越大，增益越高，但取值 过大易造成频率响应变差，本系统取电容为1 C2为外接峰值检波电容，C13为外接积分

7、电容，调整RP电位器使内置 带通滤波器的中心频率为40 kHz,当接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其7脚输出一个低电平直接接到 ATmega16 的INTO上,以触发中断。100 拙 F置4超声波接收梗现2.4 温度检测模块为了提高本方案精度，引入了温度采集并在软件算法中增 加了温度自动校正功能。温度传感器采用了DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20,其温度测量范围为 55 C+125 C,可编程为9 bit12 bitA/D转换精度，测温 分辨率可达0.062 5 C,被测温度用符号扩展的16位数字量 方式串行输出。其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电 源方式产生。

8、本系统采取了寄生电源的方式，如图5所示，通过 一个MOSFET把CPU的I/O 口直接拉到电源大小。这种接 法优点是双重的：（1）VDD接地，无需本地电源；（2）缺少正常 电源的条件下也可读 ROM。DS18H20 TN图5温度检制找块2.5 人机交互模块人机交互模块由液晶显示电路和键盘电路两部分组成。 液晶 显示器件采用TC1602E字符型LCD模块，该模块具有体积 小、功耗低、显示内容富等特点。 TC1602E可以显示2行 16个字符，有8 bit数据总线D0D7, RS、R/W、EN三个 控制端口，工作电压为5 V,并且带有字符对比度调节和背光 显示。第一行显示倒车雷达测量距离，第二行显

9、示环境温度， 液晶显示模块电路如图6所示。-EN'图6泄品显示俄抉2.6 电源模块3倒车雷达是安装在汽车的尾部，其电源应是便携式的， 以方便安装更换。本系统选用ATmega16,其电源电压是5 V。 可以使用开关电源产生的5V直接供电，但这样最好把开关电 源做在主控板上，传感器等需要另配电源。因此可以选用9 V叠层电池通过低功耗、可调、低压差稳压器 MAX667线性稳 压至5 V(VCC)后给系统供电，转换电路如图7所示。图7电源电压转鞅模块2.7 声光报警模块报警电路模块如图8所示，主要作用是在汽车尾部与障碍 物距离较近时进行报警。根据实际情况，当汽车尾部与障碍物 距离大于5 m时,

10、可认为是安全状态，液晶显示“林志；在 5 m和1 m之间时认为是正常的，显示实测距离；小于1 m时, 应提醒司机注意，系统发出声音报警功能，单片机向其端口发 出PWM脉冲，随着距离的减小，通过控制 PWM脉冲的占 空比使蜂鸣的频率加剧；小于 0.5 m时，要求声光同时报警， 由于闪光频率不能过高，通过单片机另一个端口控制其闪亮。3系统软件设计3-4系统的软件设计采取模块化设计，C语言编程，这样便于 阅读与功能扩展。程序主要由主程序、测距子程序、测温子程 序、延时子程序、液晶显示子程序等几个部分构成。雷达测距 开始由汽车倒车控制，一旦倒车开始，即启动 ATmega16片 内的T1连续发射40 k

11、Hz的PWM，计数器开始计数。考虑 到实际倒车环境有远有近，为防止其他干扰可能引起的误测， 以最长距离5 m计算，超声波发送到返回的时间 t至少为 5/340215 ms这样持续发送PWM直至接收到超声波时停止 发送，这个过程大约需要15 ms以上，所以不管所测距离远 近，一律每25 ms发送一次超声波。由于超声波会受到被测 物体不平整、反射角度、环境风速、温度以及多次反射的影响， 可能会带来测量数据误差增大。为了提高测量的准确性，要求 连续检测5次时间，去掉最大和最小的测量值，然后对剩下3 个测量值求平均值。4软硬件调试及实验数分析硬件制作时主要需保证发送和接收两个换能器中心轴线平行并相距6

12、 cm,根据测量范围要求不同，可适当调整与接收 换能器并接的滤波电容C12的大小，以获得合适的接收灵敏 度和抗干扰能力。然后通过JTAG 口在线调试下载程序并运 行。以300 cm2硬纸板（实际中障碍物要比这个面积大）为障 碍物对倒车雷达进行了实测。为了检验倒车雷达的性能，对同 组数据进行了三次循环测量，发现在500 cm以上时测量误差 在2 cm左右，在500 cm以内时倒车雷达最大误差不超过 1 cm。倒车雷达有效范围为0.055.7 m,这足以实际泊车需 要。表1列出了汽车倒车雷达在5 m以内的测量值与对应的 实际值。表1 ;汽车倒车雷达测量实验实际距离，m7 m置景太值An测鼠靛小值5

13、0.300.303 70.50也49山也21.00。弓前机一二时工心皆产口）11, W4 62.00；1 ,909 7 j|f分工阂78 CC,1.991 23.00工001 33.00462.W45.005.002 85.00664.班8本文给出了一种倒车雷达的设计方案，该方案可以达到 很高的采集速率和测量精度，并且具有温度自动校正功能。同 时，汽车倒车时可以通过液晶屏清晰地显示障碍物与车尾的距 离，帮助司机克服了后视镜小，视野窄的缺点。当车至危险区 域时，通过声光报警提醒司机，消除了倒车造成的事故隐患。实验已经验证了汽车倒车雷达的有效性、可靠性。同时系统还 预留部分接口，为系统升级和数据通信带来方便。参考文献1符艳辉，李爱琴.基于单片机的控制的超声波测距仪的设 计J.农业与技术,2008, 28(1): 171-173.2 微雪电子有限公司.ATmega16中文技术资料S. ml, 201