汽车超声波雷达辅助泊车系统开发

梁铎耀 梁雅淇 武斌 付向上

摘  要：采用STC89C52RC单片机作为汽车超声波雷达辅助泊车系统的控制器，配合超声波测距模块HC-SR04实现超声波测距功能，辅助驾驶员泊车。为了补偿超声波传播速度受温度变化的影响，使用DS18B20温度传感器测取环境温度，提高测距精度。在液晶显示器（LCD）显示测距结果的同时，使用语音播报模块ISD1700播报实测距离，改善用户的使用体验。系统的有效测距范围为0.2cm～250cm，1m以内测距误差小于1cm，100cm～250cm内测距误差小于3cm。

关键词：超声波雷达;温度补偿;语音播报;STC89C52RC单片机

中图分类号：TP216        文献标志码：A

0 引言

由于汽车及其驾驶员的数量激增，车位紧缺和紧凑型车位对驾驶员的泊车技术提出更高的要求。为了辅助驾驶员泊车，开发具有语音播报功能的高精度汽车超声波雷达辅助泊车系统。该系统可以实时监测车体与障碍物的距离，有效扩大驾驶员的视场，帮助驾驶员正确判断车体位置，采取正确的泊车操作，避免剐蹭事件发生。

1 超声波测距原理

超声波测距原理如图1所示，通过测量超声波传播的回波时间T，计算超声波探头与障碍物之间的距离，计算公式如式1所示。

（1）

式中：S为所测距离;T为超声波的回波时间;v声：为超声波的传播速度。

图1 超声波测距原理

2 系统硬件设计

采用STC89C52RC单片机作为辅助泊车系统的控制中心，配合超声波测距模块、温度补偿模块和语音播报模块等硬件，通过单片机中断控制及串口通信等实现6点测距的辅助泊车系统。为了改善驾驶员的使用体验，在实时显示车体到障碍物的最小距离的同时，伴随语音播报，方便驾驶员及时判断车体的位置。

超声波雷达辅助泊车系统由单片机、超声波模块、温度补償模块、语音播报模块和数码显示模块5部分组成，各部分安装位置如图2所示，6个超声波模块分别布置在车体的前部、侧部和尾部;单片机和LCD显示器布置在驾驶员右前方，便于查看的位置;语音播报的扬声器布置在驾驶员座椅旁。

辅助泊车系统的硬件电路如图3所示。由于测距、语音播报和数字显示需要的资源少、程序简单，故选用单片机STC89C52RC。数据的采集处理和所有模块的控制均由STC89C52RC实施。该单片机有4个8位可编程并行I/O口，两个16位定时器/计数器，1个全双工串行口，具有中断系统和特殊功能寄存器SFR。CPU与各功能模块通过内部总线相连接，进行信息交互。

令一个定时器记录超声波模块的ECHO口保持高电平时间。另一个定时器产生5ms一次的中断。每个中断，LCD显示刷新一次。每60个中断，测距值更新一次。每70个中断，ISD1700语音模块播放距离值中的一位。

两个外部中断INIT0和INIT1连接按键，用于修改语音播报限值和安全距离报警限值。

由超声波测距模块HC-SR04模块发射和接收超声波。HC-SR04可非接式触感测0.2cm～ 400cm的距离，模块包括超声波发射器、接收器及其控制电路。该模块的超声波发射接收口处于同一侧，如图1所示。单片机的I/O口连接HC-SR04的控制端Trig口，给Trig一个至少10μs的高电平触发测距，HC-SR04模块自动发射8个40kHz的方波，并自动检测是否有回波信号，接收端ECHO一旦接收到回波信号，立即输出一个高电平送至单片机I/O口，单片机检测到高电平持续的时间就是超声波的回波时间，由公式（1）可算出所测距离。

因为介质温度变化时，超声波的传播速度会发生较大变化，所以测距雷达要在户外精确测量，必须补偿空气温度变化对测距的影响。式（2）所示为超声波传播速度V与空气温度T间的关系。在系统中配置一个温度传感器来检测实时温度，编写温度—声速的对应数组，就能够通过实测温度来确定实时声速。将经过温度补偿的声速代入式（1），得到更精确被测距离。选用测温精准、引脚少、成本低的数字化温度传感器DS18B20测取温度。

V=331+0.6T                            （2）

式中：V为超声波的实际传播速度;T为空气温度。

运算处理后的最小距离由LCD实时显示，同时语音模块播报实测距离。语音播报功能由ISD1700语音模块搭载一个ISD1760语音芯片实现。ISD1700与单片机的通信遵循SPI通信协议，硬件连接只需要4根线（SCLK，MOSI，MISO，/SS）。在SPI模式下，用户可以对任意存储地址进行录放，故逐个在地址内录入“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”、“十”、“点”、“米”、“当前距离”的声音信号，通过编程使得音频地址和距离值对应就可以实现语音播报。

3 程序设计

汽车超声波雷达辅助泊车系统的控制程序包括主程序、超声波发送子程序、超声波接收中断程序、温度补偿子程序、LCD显示子程序、语音模块驱动子程序以及蜂鸣器报警子程序。对单片机进行各子程序的初始化;通过测温程序测出当前温度，并查找温度对应的声速;初始化定时器T0，启动超声波测距子程序，打开定时器，直至接收到回波信号停止计时;利用最短回波时间参数计算出最小距离，用LCD显示并通过语音播报实时距离。当测得的距离L≤设定的报警距离时，蜂鸣器报警，提醒驾驶员制动。主程序流程如图4所示。

4 测试结果与结论

经温度补偿的超声波测距系统具有较高的测距精度，由实测数据可知，测试结果与实际距离基本一致，且数据稳定。汽车超声波雷达辅助泊车系统测距范围在0.2cm～250cm，在100cm以内误差小于1cm，100cm～250cm内误差小于3cm，测距精度1.2。该系统以声音播报和蜂鸣器报警方式，提醒驾驶员做出相应操作，方便驾驶员泊车。

参考文献

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