在現代社會中，隨著汽車的增多和停車位日趨緊張，泊車成為很多車主頭痛的問題，這時倒車雷達就成了汽車的好助手。倒車雷達是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了倒車的安全性。本文以ATmega16作為核心處理器，采用超聲波原理測量出障礙物距車尾的垂直距離。系統電路設計合理，工作穩定，性能良好，精度高，實時檢測速度快，在未來市場上將有一定的實用價值。
1 超聲波測距原理
　超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時間法，將超聲傳感器安裝在汽車尾部，則障礙物距車尾的垂直距離為：

    為了提高測距精度，本系統通過溫度補償的方法對傳播速度加以校正。因此只要測量超聲發射到超聲返回的時間間隔△t及環境溫度T，然后根據式(1)、式(2)即可計算出距離S。
2 系統硬件設計
　本系統采用ATmega16 AVR為控制核心，外圍電路由超聲波發射電路、超聲波接收電路、溫度采集模塊、聲光報警電路、液晶顯示電路、接口電路及電源電路等部分組成。系統框圖如圖1所示。

2.1 核心控制模塊
　Atmega16是Atmel公司近幾年才推向市場的新一代高性能、低功耗、高集成化的8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，加上片內32 個通用工作寄存器都直接與算術邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器，大大提高了代碼效率，運行速度比AT89C51高出10倍。用于邊界掃描的JTAG接口，可以對片上16 KB閃存Flash在線編程和調試，非常方便軟件的升級。內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，如定時/計數器、實時時鐘、快速PWM通道、A/D轉換器、I2C的串行接口、可編程的串行USART接口、SPI串行接口和帶片內晶振的可編程看門狗定時器以及片內的模擬比較器等，除傳感器外幾乎可以不需要其他任何元件即可構成系統，從而為本設計提供了靈活而低成本的解決方案。其主控電路如圖2所示。

2.2 超聲波發射模塊
　超聲波發射電路原理圖如圖3所示。發射電路主要由施密特反向觸發器CD40106和超聲波發射換能器TCT40-10-T構成，PD6的端口輸出兩路40 kHz脈沖信號,一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將脈沖信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發射強度。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力，所得到的波形比其他方式效果更理想。

2.3 超聲波接收模塊
　超聲波接收模塊的作用是將反射的超聲波轉換成電壓信號并放大處理成標準的數字信號，然后輸出給下一級電路。集成電路CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，它由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器和整型電路組成。CX20106常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。如圖4所示，超聲波接收探頭TCT40-10-R將接收到的反射超聲波轉換成毫伏級電壓信號，送入CX20106的1腳，CX20106的總放大增益約為80 dB，實際增益由2腳外接電阻R2和電容C1來決定，電阻R2越小或電容C1越大，增益越高，但取值過大易造成頻率響應變差，本系統取電容為1 μF。C2為外接峰值檢波電容，C13為外接積分電容，調整RP電位器使內置帶通濾波器的中心頻率為40 kHz，當接收到與濾波器中心頻率相符的信號時，其7腳輸出一個低電平直接接到ATmega16的INT0上,以觸發中斷。

2.4 溫度檢測模塊
    為了提高本方案精度，引入了溫度采集并在軟件算法中增加了溫度自動校正功能。溫度傳感器采用了DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20，其溫度測量范圍為－55 ℃～＋125 ℃,可編程為9 bit～12 bitA/D轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5 ℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出。其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生。本系統采取了寄生電源的方式,如圖5所示,通過一個MOSFET把CPU的I/O口直接拉到電源大小。這種接法優點是雙重的：(1)VDD接地，無需本地電源；(2)缺少正常電源的條件下也可讀ROM。

2.5 人機交互模塊
　人機交互模塊由液晶顯示電路和鍵盤電路兩部分組成。液晶顯示器件采用TC1602E字符型LCD模塊，該模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點。TC1602E可以顯示2行16個字符，有8 bit數據總線D0～D7，RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5 V，并且帶有字符對比度調節和背光顯示。第一行顯示倒車雷達測量距離，第二行顯示環境溫度，液晶顯示模塊電路如圖6所示。

2.6 電源模塊[3]

　倒車雷達是安裝在汽車的尾部，其電源應是便攜式的，以方便安裝更換。本系統選用ATmega16，其電源電壓是5 V。可以使用開關電源產生的5 V直接供電，但這樣最好把開關電源做在主控板上，傳感器等需要另配電源。因此可以選用9 V疊層電池通過低功耗、可調、低壓差穩壓器MAX667線性穩壓至5 V(VCC)后給系統供電，轉換電路如圖7所示。

2.7 聲光報警模塊
    報警電路模塊如圖8所示，主要作用是在汽車尾部與障礙物距離較近時進行報警。根據實際情況，當汽車尾部與障礙物距離大于5 m時,可認為是安全狀態，液晶顯示“――”標志；在5 m和1 m之間時認為是正常的，顯示實測距離；小于1 m時,應提醒司機注意，系統發出聲音報警功能，單片機向其端口發出PWM脈沖，隨著距離的減小，通過控制PWM脈沖的占空比使蜂鳴的頻率加劇；小于0.5 m時，要求聲光同時報警，由于閃光頻率不能過高，通過單片機另一個端口控制其閃亮。

3 系統軟件設計[3-4]
    系統的軟件設計采取模塊化設計，C語言編程，這樣便于閱讀與功能擴展。程序主要由主程序、測距子程序、測溫子程序、延時子程序、液晶顯示子程序等幾個部分構成。雷達測距開始由汽車倒車控制，一旦倒車開始，即啟動ATmega16片內的T1連續發射40 kHz的PWM，計數器開始計數。考慮到實際倒車環境有遠有近，為防止其他干擾可能引起的誤測，以最長距離5 m計算，超聲波發送到返回的時間△t至少為5/340≈15 ms。這樣持續發送PWM直至接收到超聲波時停止發送，這個過程大約需要15 ms以上，所以不管所測距離遠近，一律每25 ms發送一次超聲波。由于超聲波會受到被測物體不平整、反射角度、環境風速、溫度以及多次反射的影響，可能會帶來測量數據誤差增大。為了提高測量的準確性，要求連續檢測5次時間，去掉最大和最小的測量值，然后對剩下3個測量值求平均值。
4 軟硬件調試及實驗數分析
    硬件制作時主要需保證發送和接收兩個換能器中心軸線平行并相距6 cm，根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C12的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。然后通過JTAG口在線調試下載程序并運行。以300 cm2硬紙板(實際中障礙物要比這個面積大)為障礙物對倒車雷達進行了實測。為了檢驗倒車雷達的性能，對同組數據進行了三次循環測量，發現在500 cm以上時測量誤差在2 cm左右，在500 cm以內時倒車雷達最大誤差不超過1 cm。倒車雷達有效范圍為0.05～5.7 m，這足以實際泊車需要。表1列出了汽車倒車雷達在5 m以內的測量值與對應的實際值。

    本文給出了一種倒車雷達的設計方案，該方案可以達到很高的采集速率和測量精度，并且具有溫度自動校正功能。同時，汽車倒車時可以通過液晶屏清晰地顯示障礙物與車尾的距離，幫助司機克服了后視鏡小，視野窄的缺點。當車至危險區域時，通過聲光報警提醒司機，消除了倒車造成的事故隱患。實驗已經驗證了汽車倒車雷達的有效性、可靠性。同時系統還預留部分接口，為系統升級和數據通信帶來方便。

參考文獻
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