基于HC-SR04的多方位车距监测系统设计

冯树栋，杨延宁，2，杜永星，朱 扬，董晨乐

（1.延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000；
2.南昌理工学院，江西 南昌 330044）

随着社会经济持续发展，人民生活水平逐渐提高，汽车的数量不断增加，步行、骑车等出行方式已逐渐被汽车所取代，但由此产生的行车问题也日渐增多，行车安全问题日益受到关注[1]。

目前，在行车过程中依靠司机自身行车经验及汽车雷达系统能够起到很好的保护车辆及人身安全的作用。汽车虽然基本都装载有雷达系统，并且能够实现实时影像传输，方便高效，但这些雷达系统大多都是只对倒车做出相应检测报警，且价格昂贵。

为了在汽车倒车转弯及停车等慢速情况下对车辆周围出现的障碍物进行实时监测，本文设计一种能够快速对车辆四个方向的障碍物做出实时监测的多方位车距监测系统。该系统利用超声波测距原理，采用温度补偿方法，通过STC89C52RC微控制器进行智能控制，结构简单、成本便宜，克服了原有的车辆雷达系统造价高、结构复杂等问题。该系统对车辆周围进行实时检测，能够在车辆慢速的情况下及时发现汽车周边障碍物信息并进行声光报警，提醒司机注意安全、谨慎行车，有效地保护了人身及车辆安全。

该系统以STC89C52RC为中央处理单元核心，以HC-SR04和DS18B20为主要测量元件，利用超声波测距原理，在车辆倒车转弯及停车过程中，通过HC-SR04测得车辆周围距障碍物的距离，并将采集到的距离信息传送至微控制器，由中央处理单元处理并判断测距离值是否到达预警距离值，从而判断是否开启蜂鸣器报警，为司机行车提供了便捷和安全保障。

多方位车距监测系统组成框架及工作原理如图1所示[2]。

图1 多方位车距监测系统框图

2.1 微控制器模块

考虑到造价成本的因素，本文使用的微控制器是由宏晶公司推出的STC89C52RC单片机。该单片机采用FLASH存储器技术，优点在于：低功耗、低电压、高性能，具有在线编程功能，使用简单且价格低廉[3]。

本文在微控制器的XTAL1和XTAL2引脚上连接11.059 2 MHz晶振电路，为系统提供基本时钟信号，使系统各部分保持同步；
在RST引脚上连接有复位电路，使微控制器在获得供电的瞬间能够由初始状态开始工作；
此外，在单片机的P0.0～P0.7引脚上接有上拉电阻，以提高其驱动能力。

2.2 超声波测距及温度补偿模块

使用型号为HC-SR04的4个超声波传感器作为测距模块。HC-SR04可以测量2～400 cm之间的距离，其发射与接收原理框图如图2所示。其传感器4个引脚分别是VCC接5 V电源，VDD接地，TR和ECHO接单片机相应的I∕O口[4-5]；
超声波由超声发射器发射端发射，经过空气中传播，在其遇到障碍物后返回至接收端。根据发射到返回接收的整个过程，TR引脚作为激发信号的控制端，控制传感器发出超声波信号，通过Trig引脚发一个持续10μs以上的高电平；
同时在ECHO接收端接收返回的超声波信号，通过读取定时器的值可以确定测距的时间，即可以得出发射波和接收波的时间之差t，再结合超声波在空气中的传播速度v，从而可算出[6-7]距障碍物的距离L。

图2 超声波发射与接收原理图

考虑到超声波在空气中会逐渐衰减，在实际应用中，频率为40 kHz的超声波传感器使用较多，所以本文选用的超声波频率为40 kHz。超声波信号时序图如图3所示。

图3 超声波信号时序图

由于超声波受温度的影响较大，在不同的温度环境下传播速度不同，所以本文通过使用DS18B20温度传感器来对其进行温度补偿，提高测量精度[8]。选取DS18B20温度传感器来进行温度补偿和测量，其测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强[9]。将温度传感器的数据引脚与STC89C52RC的P1.4引脚连接，VCC接5 V电源，VDD接地。在温度传感器运行过程中实现温度转换和数据传输功能，将测量到的温度数据输入单片机中[10-11]。

2.3 蜂鸣器报警模块

蜂鸣器是电子设备中比较常用的一种发声器件，其安装方便、操作简单、应用广泛，发声原理为电磁线圈和磁铁周期性振动从而产生声音[12-13]。

该系统的预警电路由PNP三极管驱动蜂鸣器实现，并且接在STC89C52RC的P1.0口上。在该系统中选用无源蜂鸣器且为低电平有效，当检测到前方障碍物距车辆处于不同距离时，I∕O口输出为相应高低电平，以控制三极管导通，利用延时函数来控制发声周期。司机可以根据蜂鸣器的不同发声周期来大致判断车辆距障碍物的距离远近，从而提高司机行车的安全性。

整体硬件模块原理图见图4。

图4 整体硬件模块原理图

3.1 多方位车距监测系统主程序设计

程序工作过程如下：首先通电之后系统进行初始化；
温度传感器采集当前环境下的温度值，超声波传感器经温度补偿后测得距障碍物的距离值，LCD显示屏显示当前温度值和当前检测到的经过温度补偿后校正的距离值[14-15]。通过独立按键设置报警值为100 cm，超声波传感器不断地向微控制器传送校正距离值，单片机判断此距离信息是否小于预先设置的报警值，如果小于报警值，则单片机的P1.0口会接通成为高电平，蜂鸣器以周期为0.5 s开始报警，同时该方向上的LED灯会点亮，提醒司机车辆具体是哪个方向上距障碍物已在100 cm之内，方便司机做出准确判断；
如果距离继续变小，则单片机的P1.0口会持续接通成为高电平，蜂鸣器开始以周期为0.25 s进行报警，对应方向上的LED灯点亮，提醒司机该方向上车辆距障碍物已在50 cm之内。程序工作流程如图5所示。

图5 程序工作流程

3.2 多方位车距监测系统报警子程序设计

为了使蜂鸣器达到更好的报警效果，采用一个循环控制流程使蜂鸣器在不同的距离情况下产生不同频率的响声，从而帮助工作人员更清晰地判断车辆距障碍物的距离信息[16-17]。

当采集到距离信号时开始判断是否小于预警值，如果距离信息处于50～100 cm之间，通过加入毫米延时函数来改变发声周期，单片机控制蜂鸣器发出周期为0.5 s的报警声，同时该方向上的LED灯点亮；
如果距离信息小于50 cm，单片机控制蜂鸣器发出周期为0.25 s的报警声，同时该方向上的LED灯点亮；
如果距离信息大于100 cm，则跳出闭合控制系统流程，蜂鸣器停止报警，相应位置上的LED灯熄灭。报警子程序流程如图6所示[18]。

图6 多方位车距监测系统报警子程序设计流程

4.1 传感器安装位置

考虑到要尽可能地检测到车辆周围的障碍物，所以传感器安装位置不能过高，本文均安装在车辆底盘靠上面一点的位置。具体安装位置如图7所示。

图7 超声波传感器安装位置示意图

4.2 测量结果分析

实验测试时，所处环境温度为20℃。通过独立按键设置报警值为100 cm，因为要保证测得距障碍物的距离小于100 cm时，该系统以周期为0.5 s开始报警；
当距离缩小为50 cm以内时，该系统以周期为0.25 s开始报警。本文只选取100 cm和50 cm附近的8组数值作为测试数据，测试在水平方向上进行，使用精度较高的卷尺进行水平测量，测试的实际距离分别选40 cm，50 cm，60 cm，70 cm，80 cm，90 cm，100 cm，110 cm，得到的测试数据如表1所示。

表1 测试数据

由表1可以看出：本文测试数据的环境温度为20℃，当实际测量值在40～110 cm之间时，多方位车距监测系统的测量值与实际值之间的误差变化不太大，平均误差均小于2 cm；
当测得距离大于100 cm时，装置无反应；
当测得距离在50～100 cm之间时，蜂鸣器立即发出报警，且T报警周期为0.5 s，同时对应方向上的LED灯点亮；
当测得距离小于50 cm时，蜂鸣器立即发出报警，且报警周期为0.25 s，该方向上的LED灯点亮。所设计系统基本可以实现测距和报警功能，在车辆倒车转弯及停车时可以很好地提醒司机注意车辆安全，减少生命财产损失。

多方位车距监测系统采用模块化的设计思想，主要实现了超声波实时测距和及时声光报警等功能，能够多方位对车辆进行检测，且采用温度补偿来提高测量精度。该系统可以实时监测车辆周围距障碍物的距离，并且在预警值内开始发出声光报警。经过多次测试，该系统基本实现了预期的实时监测和报警功能，基本达到了提醒司机安全行车的目的。后续仍需要在传感器安放位置和角度的布点、对不同障碍物类型的判断以及电磁波的影响等方面做进一步的研究，进行系统的优化和应用推广。