基于超聲波測距的倒車雷達系統(tǒng)設計

1 引言

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我國的汽車數(shù)量正逐年增加。同時汽車駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車駕駛?cè)藛T的比例也逐年增加。在公路、街道、停車場、車庫等擁擠、狹窄的地方倒車時，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會發(fā)生追尾事故。據(jù)相關調(diào)查統(tǒng)計，15％的汽車碰撞事故是因倒車時汽車的后視能力不良造成的。因此。增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車雷達便成為近些年來的研究熱點。安全避免障礙物的前提是快速、準確地測量障礙物與汽車之間的距離。為此，設計了以單片機為核心，利用超聲波實現(xiàn)無接觸測距的倒車雷達系統(tǒng)。

2整體設計及原理

超聲波一般指頻率在20 kHz以上的機械波，具有穿透性強，衰減小，反射能力強等特點。工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測量邏輯電路提供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時間差進行處理，自動計算出車與障礙物之間的距離。超聲波測距原理簡單，成本低，制作方便，但其傳輸速度受天氣影響較大，不能精確測距；另外，超聲波能量與距離的平方成正比衰減，因此，距離越遠，靈敏度越低，從而使超聲波測距方式只適用于較短距離。目前，國內(nèi)外一般的超聲波測距儀，其理想的測量距離
為4～5 m，因此大都用于汽車倒車雷達等近距離測距中。該倒車雷達系統(tǒng)采用單片機控制，如圖1所示。利用超聲波實現(xiàn)無接觸測距，并考慮測量環(huán)境溫度對超聲波波速的影響，而且通過溫度補償法對速度進行校正。使用由集成數(shù)字傳感器DS18B20構(gòu)成的溫度測量電路，可直接讀取溫度值，再根據(jù)溫度補償?shù)贸龀暡ㄔ谀骋粶囟认碌牟ㄋ?，由單片機計數(shù)脈沖個數(shù)獲得傳播時間，根據(jù)超聲波測距原理測得并顯示距離，再根據(jù)顯示的距離控制蜂鳴器的發(fā)聲頻率。

2.1超聲波測距原理
目前，利用超聲波測距的方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法、渡越時間檢測法三種。相位檢測的精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測易受反射波的影響；渡越時間檢測工作方式簡單、直觀，在硬件控制和軟件設計容易實現(xiàn)，其原理是檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波到經(jīng)氣體介質(zhì)傳播后接收傳感器接收超聲波的時間差，即渡越時間t。距離s=ct／2(c為聲速)，t可由單片機計脈沖個數(shù)的方法實現(xiàn)。

2.2溫度與聲速的關系
由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度T有關。表1列出了幾種不同溫度下的聲速。使用時，若溫度變化不大，則可視聲速基本不變；若測距精度要求很高，則應通過溫度補償法予以校正。

一般情況下，利用v=331+0.60T進行溫度補償，以適應不同溫度下的工作要求。表2給出補償后聲速與溫度的關系。可以看出，0℃以下時聲速值完全吻合；0℃以上最大誤差不超過5％。

由上述分析可知，溫度測量的精度不僅直接影響了速度的測量精度，而且也間接影響距離的測量精度，所以溫度的測量很關鍵。

3硬件電路設計

倒車雷達系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度測量電路及顯示報警電路構(gòu)成。

3.1超聲波發(fā)射電路

在單片機控制下，使脈沖發(fā)生器輸出超聲波。脈沖發(fā)生器由555構(gòu)成，其連接如圖2所示。7引腳和6、2引腳的上下為R和C；中間R與RP并聯(lián)，RA=Rl+RA''''''''，RA=R2+RB''''''''，且T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，通過調(diào)節(jié)RA和RB的阻值，實現(xiàn)輸出波形的占空比的可調(diào)。但是，這里需要50％占空比的方波，因此調(diào)節(jié)滑動變阻器，使T1=T2，頻率的計算公式為：

f=1.443／(RA+RB)C (1)

合理選擇R，C可使超聲波獲得40 kHz的輸出脈沖。因為超聲波的傳輸要有一段距離，為了使信號便于傳輸，通常要在發(fā)射電路的后面加上一個調(diào)制電路。



3.2超聲波接收電路
因為超聲波測距只用于近距離，當距離較遠時，衰減較為嚴重，反射回來的信號相對也比較微弱，因此接收端應先設置一個放大電路，然后通過檢波電路對其輸出信號進行解調(diào)，最后對檢波輸出信號進行比較整形。