基于DS18B20倒车雷达系统设计

【摘要】在光线不足、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下，目前国产的倒车雷达即使也是采用超声波测距，但是其灵敏度、准确度受到很大的影响，笔者采用DS18B20温度补偿传感器设计的倒车雷达系统，有效减少了上述的缺陷，减少电路之间的相互干扰，减少电噪声。本系统测距范围为0.1～6m，最大测距误差不超过1cm，且具有硬件结构简单、工作可靠、流程清晰、精度高、成本低等优点，测量时与被测物体无直接接触并能实现距离的实时显示。

【关键词】倒车雷达;温度补偿;电噪声低;精度高

1.引言

我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。超声波发生器可以分为两大类：一类是电气方式产生超声波;另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等;机械方式有加尔统笛，气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡[1]。传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理比较简单，可以达到日常某些精度要求不太高的场合。但是，在汽车的倒车雷达系统中，由于倒车速度如果过快，或光线不足、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下，容易出现误报、慢报车后障碍物距离，给车或障碍物造成不必要的伤害。故笔者提出一种采用DS28B20集成芯片的温度补偿电路，供给上述超声波测距系统中，改善了它的不足之处。

2.总体方案设计

超声波的发射电路有三种[2]：一种是通过使用三极管将单片机的发射信号进行放大而实现的;另一种是使用时基电路555来产生振荡信号的：第三种则是通过使用反相器将单片机输出地发射信号强度提高来实现的。

为了能够设计出精度较高，操作较简易且价格低廉的倒车雷达系统，综合各方面的因素，我们决定采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字实时显示，同时加上DS18B20温度传感器实现温度补偿，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，使用上述的第三种发射电路。该倒车雷达系统设计框图如图1所示：

图1 系统设计框图

图2 单片机系统及显示电路

硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、温度补偿电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。

2.1 单片机系统及显示电路

单片机采用比较常用的AT89C52或其他兼容的系列。系统采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差[3]。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管。单片机系统及显示电路如图2所示。

2.2 温度补偿电路

稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响[4]。其中温度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为：

由泰勒公式将其展开，可得到近似计算公式：。

式中，T是环境摄氏温度（℃）。所以，温度每变化1℃，声波的速度变化为0.6m/s。可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为-55～125℃。最大分辨率可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用了线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20温度传感器接法电路如图3所示：

图3 DS18B20温度传感器接法电路

2.3 超声波发射电路

超声波发射电路原理如图4所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40KHz方波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，用这种推挽形式将方波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，可以提高驱动能力。上拉电阻一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板超声超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同。

图4 超声波发射电路原理图

2.4 超声波检测接收电路

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，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38KHz与测距的超声波频率40KHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A 接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减少电噪声。

图5 集成电路CX20106A的接法电路

3.软件设计

倒车雷达的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。下面对倒车雷达测距器的算法、主程序、超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。

3.1 倒车雷达的算法设计

超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式如下：

d=s/2=vt/2，其中d为被测物与测距器的距离;s为声波来回路程;v为声速;t为声波来回所用的时间。由2.2温度补偿电路的设计中知道，超声波的速度与温度有关[5]。表1列出了几种不用温度下的超声波声速。在进行测距时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

表1 不同温度下声速与温度关系表

温度/0℃ -30 -20 -10 0 10 20 30 100

超声波速度 313 319 325 331 338 344 349 386

表2列出温度补偿后不同声速与温度关系表，可以看出0℃以下基本相同，0℃以上最大误差不超过5%。

表2 补偿后声速与温度关系

温度/0℃ -30 -20 -10 0 10 20 30 100

超声波速度 313 319 325 331 337 343 349 381

3.2 主程序

主程序首先要对系统环境初始化，流程图如图6，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许为位EA并对现实端口P0和P2清0;然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于频率是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式d=vt/2计算，即可得被测物体与测距器之间的距离。设计时取20℃时的声速为344m/s，则有：

d=（172T/10000）cm

其中：T为计算器T0的计数值。

测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

图6 主程序流程图

3.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约40KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。倒车雷达主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。进入该中断程序后，就立即关闭计数器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值1，如果当计时器溢出时还没检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2，以表示本次测距不成功。

4.结论

本设计主要使用51单片机作为系统核心，加上温度补偿电路和超声波发射以及接受电路作为外设，实现一个比较高精度的，操作简单且价值低廉的倒车雷达系统。该系统经过在实验室中调试，测距范围为0.1～5m，最大的测量误差为1cm，实时播报与同步显示时间间隔小于2秒。我们在保证倒车过程安全的情况下进行调试，即不管倒车速度快或慢，或者人为制造环境因素（烟、雾、温度等），发现超声波的发射换能器（探头）和接收换能器（障碍物）必须与反射物体垂直，不然测出的距离都是超过测距器的测量范围的，这与我们制作的超声波测距器的硬件有关系。

参考文献

[1]符艳辉，李爱芹.基于单片机控制的超声波测距仪的设计[J].农业与技术，2008，28（1）：171-173.

[2]张丹，贺西平.基于单片机的超声波测距系统的设计[J].纺织高校基础科学学报，2008，21（1）：117-120.

[3]吴超，戴亚文.基于AT89S52单片机的超声波测距系统的设计[J].中原工学院学报，2008，19（5）：65-68.

[4]陆冬妹.基于温度补偿的超声波倒车测距系统的设计[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2011（02）：143-145.

[5]张国旭，张雅静.智能电动小车超声波测距定位系统的设计[J].煤矿机械，2011（01）：95-97.

作者简介：朱哲群（1982―），男，MBA硕士，工程师，主要从事移动网络维护测试工作。