基于ATmega8的超聲波倒車雷達實現(xiàn)方案

1 引言
由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中的傳播距離較遠，因而超聲波經常用于距離測量，如測距儀和物位測量儀等都可以用超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人、汽車工業(yè)等領域中有廣泛的應用。
本文根據筆者所在的武漢理工大學汽車電子電器研究所研發(fā)的一種由單片機開發(fā)的超聲波倒車雷達報警器方案，詳細介紹了其硬件軟件實現(xiàn)過程。

2 設計目標
報警器利用超聲波回聲測距的原理，測量車后一定距離內的物體，并以AVRmega8系列單片機作為中心控制單元。這種超聲波雷達可以及時顯示車后障礙物的距離和方位，顯示范圍為0.5m~9.9m，當距離大于2m時顯示車后障礙物的方位;當距離小于2m時，除了顯示其方位外，還可按照三段距離分別給出三種報警信號，以警示司機三種不同程度的緊急狀態(tài)，使司機據此作出相應的操作，防止事故的發(fā)生。

3 超聲波測距原理
3.1 超聲波發(fā)生器
超聲波發(fā)生器分為兩類:一類是用機械方式產生超聲波，包括加爾統(tǒng)笛、氣流笛等一類是用電氣方式產生超聲波，包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;它們所產生的超聲波的頻率、功能和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電型超聲波發(fā)生器。


3.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理
壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未加電壓，當共振板接受到超聲波時，將壓迫壓電晶片做振動，將機械能轉換為電信號，這是它就成為超聲波接收器了。


3.3 超聲波測距原理
超聲波測距是通過不斷檢測發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離S=Ct/2,式中的C為超聲波波速。
由于超聲波也是一種聲波，其速度C與溫度有關，在溫度確定后，只要測得超聲波往返時間，即可求得距離。

4 Atmega8的功能特點
ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR單片機。在AVR家族中，ATmega8L是一款非常特殊的單片機，它的芯片內部集成了大容量的寄存器和豐富的硬件接口電路，具有其他高檔AVR單片機MEGA系列的全部特點，采用了小引腳封裝(為DIP28)，價格卻與低檔單片機相當，同時具有 AVR單片機的ISP(在線編程)性能。是AVR高檔單片機中內部接口豐富、功能齊全、性價比最好的品種。它的主要性能如下:


4.1 先進的RISC精簡指令集結構
130條功能強大的指令，大多數為單時鐘周期指令;32個8位通用工作寄存器;工作在16MHz時具有16MIPS的性能;執(zhí)行速度為2個時鐘周期的片內乘法器。


4.2 大容量的非易失性程序和數據存儲器
ATmega8L具有可擦寫10000次的8K字節(jié)Flash程序存儲器;支持在線編程(ISP);擦寫100000次的512字節(jié)的，1K字節(jié)內部SRAM。帶有獨立加密位的可選BOOT區(qū)，通過BOOT區(qū)內的引導程序區(qū)實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，而且寫操作時真正可讀。


4.3 外部性能
2個比較模式的帶預分頻的8位定時/計數器;1個帶有預分頻器;一個獨立振蕩器的異步實時時鐘;3個PWN通道;8個通道A/D/轉換，6路10位A/D +2/路8位A/D;6個通道A/D轉換，4路10位A/D+2/路8位A/D;1個I2C的串行接口，1個串行USART接口，1個SPI同步串行接口;片內看門狗定時器。

4.4 特殊功能
包括上電復位和可編程的低電壓檢測、內部可校準的ＲＣ振蕩器、五種睡眠模式(空閑模式、ＡＤＣ噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、待命和擴展待命模式)、可用軟件選擇時鐘頻率、可通過一個熔絲選定的兼容模式以及全局上拉禁止等。ATmega8L的獨有特點包括上電復位和可編程的低電壓檢測、內部可校準的ＲＣ振蕩器、五種睡眠模式(空閑模式、ＡＤＣ噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、待命和擴展待命模式)、可用軟件選擇時鐘頻率、可通過一個熔絲選定 ATmega8L的兼容模式以及全局上拉禁止等。

5 系統(tǒng)的硬件設計
5.1 超聲波發(fā)送
超聲波發(fā)送脈沖如圖1所示。40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機mega8的PB0口送出，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為 125μs～200μs，即在一個調制脈沖內包5～8個40kHz的方波。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數。本系統(tǒng)有四路測距通道，采用分時工作，按左、中、右的順序循環(huán)測距。若在有效測距范圍內有被測物的話，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應當接收到前一路發(fā)同的反射波，否則認為前一路無被測物。因此按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間。例如:最大測距范圍為5m時，脈沖間隔時間t=2s/v=2×5/340≈30ms，實際應取t≥30ms。

5.2 超聲波接收
回波很弱，因而轉換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右。采有三級放大。放大后的交流信號經光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形輸出一個方波信號，此方波信號上升沿使 D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請。在中斷服務程序中，讀取時間計數器的計數值，并結合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離。


5.3 時間計測
超過波從發(fā)射到接收的間隔時間的測定是由單片機內部的計數器T1來完成的。在調試過程中出現(xiàn)的發(fā)送部分與接收部分的直接串擾問題是由于換能器之間的距離不大，有部分聲波未經被測物就直接繞射到接收換能器上。從發(fā)射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間，不會發(fā)中斷申請，可有效躲避干擾，但也會形成所謂的 “盲區(qū)”。本系統(tǒng)的盲區(qū)約為20cm左右。


5.4 報警燈顯示
由于mega8有較強的驅動能力(驅動電流可達到20mA)，可直接由mega8驅動三組(每組四路)的發(fā)光二級管作為報警顯示器。

6 系統(tǒng)的軟件設計
中斷服務程序分為INT0，INT1，T0
T0設置為30ms中斷一次，其任務就是每隔30ms產生5~8個40kHz的方波作為超聲波脈沖并按順序送到四個通道，即產生如圖1所示的超聲波發(fā)射脈沖。T0的中斷服務程序流程如圖2所示:


INT0中斷子程序讀取A/D轉換結果，并將相應數據值轉換為環(huán)境溫度值;INT1停止T0、T1計數，根據T1內容計算時間T，并進行最終距離的計算。先計算超聲波傳播速度:，再計算距離:D=CT/2，并將計算結果送入緩沖區(qū)以備通訊。T1工作在方式1。

7 誤差分析
本系統(tǒng)最大測距誤差在8cm左右，測距的盲區(qū)為20cm。
(1) 入射角
超聲波波束對探測目標的入射角的影響。
(2) 過零點觸發(fā)
超聲波回波聲強與待測距離的遠近有關系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)。
(3) 聲速修正
超聲波傳播速度對測距的影響。波的傳播速度取決于傳播媒質的特性。傳播媒質的溫度、壓力、密度對聲速都將產生直接的影響。因此需對聲速加以修正。對于測距而言，引起聲速變化的主要原因是媒質溫度的變化。本文采用聲速預置和媒質溫度測量結合的方法對聲速進行修正，可有效地消除溫度變化對精度的影響。

8 結束語
該系統(tǒng)經過大量實驗數據測試表明系統(tǒng)滿足設計要求,通過修改部分子程序可根據需要擴展成六通道、二通道、單通道的汽車后視儀及根據不同的要求作不同的報警處理。例如在該設計中加入了一時鐘芯片X1203 ,通過添加一些程序就可以實現(xiàn)時鐘
顯示與倒車報警的二合一產品，有較好的推廣價值。

參考文獻
［1］ATmega8L原理與應用手冊. 北京:清華大學出版社
［2］國外電子元器件. 用AT89C2051設計超聲波測距儀 負離子發(fā)生器相關文章:負離子發(fā)生器原理
分頻器相關文章:分頻器原理
脈沖點火器相關文章:脈沖點火器原理
離子色譜儀相關文章:離子色譜儀原理
燃氣報警器相關文章:燃氣報警器原理