泊車用超聲波測距儀的研制

關(guān)鍵詞：超聲波 測距 單片機(jī)

Development of Ultrasonic Range Finder for Parking

Abstract: This paper describes the basic principle of the ultrasonic range finder for parking which is developed by adopting microprocessor technology. Mathematics model of measurement and calculation as well as realization methods is also discussed. Software calibration method is used to increase measuring accuracy and reliability. Actual application shows that the security is greatly insured when parking.

Keywords: Ultrasonic Range-finding Microprocessor

一、前言

隨著生活水平的不斷提高，汽車進(jìn)入家庭的消費(fèi)意識(shí)的不斷增強(qiáng)。中國城市汽車的保有量迅速增加。隨之而來的是交通事故與日俱增，城市里尤其突出。發(fā)展智能交通系統(tǒng)是二十一世紀(jì)交通運(yùn)輸?shù)闹匾l(fā)展方向。智能交通系統(tǒng)（ITS）在充分發(fā)揮現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，提高運(yùn)輸效率。保障交通安全，緩解交通堵塞，改善城市環(huán)境等方面的卓越效能，已得到各級(jí)政府的廣泛關(guān)注。中國政府也高度重視智能交通系統(tǒng)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用。本文論述的泊車用超聲波測距儀開發(fā)著眼于倒車防護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)倒車時(shí)有效的避開可能對(duì)倒車造成危害的障礙物和行人。有效避免由于倒車造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問題。國外高級(jí)轎車在汽車出廠時(shí)就已經(jīng)安裝了同類系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)指標(biāo)

系統(tǒng)由三大部分組成，（1）、兩路收發(fā)同體的空氣超聲探頭，實(shí)現(xiàn)汽車尾部左后和右后的障礙物探測。（2）、單片機(jī)組成的控制電路和超聲波發(fā)射接收電路。（3）、距離顯示電路和聲光報(bào)警電路。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了下列技術(shù)指標(biāo)；兩路超聲定位，數(shù)碼顯示距離，語音提示距離范圍，排數(shù)碼管顯示距離范圍。

具體指標(biāo)是：Ⅰ 兩路超聲定位，每路探測范圍角14o

Ⅱ 三位數(shù)碼管距離顯示

Ⅲ 四段語音距離范圍提示，紅綠藍(lán)數(shù)碼管距離顯示

Ⅳ 探測距離0.25m—1.5m

Ⅴ 工作溫度-20—60℃

Ⅵ 測量分辨率1cm，誤差小于0.5%。

本測試儀測量精度高，提示方式多樣化，可滿足不同工作環(huán)境的客觀需要。

三、硬件電路組成及工作原理

3．1 控制芯片

采用AT89C2051作為控制器，在小型智能儀器中使用，性價(jià)比高。指令系統(tǒng)和8031完全兼容，除沒有P0、P2口外，具有8031所有功能結(jié)構(gòu)，用其構(gòu)成的測量控制系統(tǒng)具有電路簡單、可靠性高、體積小；控制和發(fā)射接收電路體積為 ，硬件組成框圖如圖一所示；

單片機(jī)的P1.4、P1.5口編程為輸出口，交替輸出40KHz方波，持續(xù)時(shí)間為0.2ms，每隔19.8ms左右再發(fā)下一次，即兩路超聲的重復(fù)頻率為。常溫下超聲在空氣中的傳播速度為340米/秒，這樣決定了儀器的最大探測距離是 。而實(shí)際情況是，由于指令運(yùn)行需要時(shí)間，且當(dāng)一路發(fā)射接收完畢，程序要送一次顯示。則當(dāng)重復(fù)頻率約為50Hz時(shí)，最大探測距離為1.5m。P1.4、P1.5口波形如圖二所示。P1.6、P1.7編程為輸入口，相應(yīng)接收兩路超聲回波。

P3.2-P3.5編程為輸出口，P3.2-P3.4控制ISD1110語音芯片的語音數(shù)據(jù)段，P3.5控制何時(shí)放音。

顯示采用動(dòng)態(tài)掃描，利用串行口RXD、TXD串行發(fā)送顯示數(shù)據(jù)，P1.0-P1.3發(fā)送顯示位。由于P1.0和P1.1無內(nèi)部上拉電阻，應(yīng)用中應(yīng)分別外接上拉4.7K的電阻。

電路采用了MAX810復(fù)位專用芯片。由于汽車上供電采用直流12V。蓄電池和發(fā)電機(jī)并聯(lián)。惡劣的工況下（如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中），電壓降至6V左右。單片機(jī)的電源取自車載的12V，這樣對(duì)單片機(jī)的正常運(yùn)行將是一種嚴(yán)重的干擾，程序會(huì)跑非。MAX810可以很好的解決這一問題。其功能就是監(jiān)控單片機(jī)的供電電壓；當(dāng)供電電壓低于一個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，MAX810復(fù)位并在供電電壓恢復(fù)到閾值以上時(shí)延續(xù)140ms。這樣可以很好的解決單片機(jī)供電電壓不穩(wěn)對(duì)單片機(jī)造成的干擾。

3.2、超聲發(fā)射接收電路

兩路發(fā)射接收電路組成結(jié)構(gòu)完全相同，輪番工作。兩路電路結(jié)構(gòu)完全相同。原理如圖三所示；

3.2.1、發(fā)射電路

由于單片機(jī)P1口作為IO口使用時(shí)能提供20mA的灌電流能力，而吸電流能力小，所以外接一個(gè)NPN管來提高其輸出電流的能力。保證40KHz的脈沖信號(hào)有一定的功率。

3.2.2、接收電路

接收電路由前置放大；帶通濾波放大；回波整形及二值化。前置放大實(shí)現(xiàn)小信號(hào)有效放大，提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗。本電路設(shè)計(jì)了兩級(jí)二階無限增益反饋帶通濾波放大，中心頻率為40KHz；第一級(jí)的增為A1=-120，第二級(jí)的增益A1=-320，保證把微伏級(jí)的信號(hào)放大到伏級(jí)供整形和二值化處理。整形、二值化電路完成的功能是先把回波信號(hào)檢波，變成單一極性的信號(hào)；二值化即一位A/D，設(shè)置閾值電平，把模擬回波變成電平信號(hào)輸入到P1.6。

3.3、語音報(bào)警電路

語音報(bào)警作為測量儀器的輸出是一種很直觀、易懂的形式，人機(jī)界面友好，考慮到駕駛員在倒車時(shí)一般無暇估計(jì)車上的儀表，注意力在車的后方，故設(shè)計(jì)時(shí)采用了語音報(bào)警。語音技術(shù)產(chǎn)品目前市場上品種很多，本電路采用是ISD公司的ISD1110語音芯片，芯片采用了（DAST）直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)，集程度高。錄放音時(shí)間10秒，分80段，微機(jī)控制可靈活組合，輸出需要的語音信號(hào)。應(yīng)用中應(yīng)要求自制開發(fā)系統(tǒng)，利用PC的并行口，將語音錄制到芯片中，連接到系統(tǒng)中。共錄制了4段，分別是；“1.5米區(qū)”；“1米區(qū)”；“0.5米區(qū)”；“極限警示音樂報(bào)警”。依據(jù)測量距離的大小定時(shí)播放相應(yīng)的語段。如測量結(jié)果為0.8米，報(bào)“1米區(qū)”?？刂齐娐方涌谌鐖D四所示；ISD1110的A3、A4、A5選擇報(bào)警語段，PLAYE接P3.5，下降沿觸發(fā)放音。

3.4、顯示電路

除了聲音報(bào)警之外，光報(bào)警是另一種有效的報(bào)警方式。設(shè)計(jì)中光報(bào)警有兩種形式。三個(gè)數(shù)碼管顯示當(dāng)前測試距離（單位mm），超量程顯示“- - -”，倒車離障礙物距離小于25mm顯示“SOS”閃爍，語音播放警示音樂。排數(shù)碼管有兩紅、兩綠、兩藍(lán)，顯示相對(duì)距離，當(dāng)測量值大于1米范圍，至多兩綠管亮；當(dāng)測量值大于0.5米，兩綠管亮，至多兩黃管亮；測量值大于0.3米，兩綠兩黃管亮，至多兩紅管亮。排數(shù)碼管顯示測試距離的相對(duì)值，距離越近，數(shù)碼管亮的位數(shù)越多。

電原理圖見圖五，用RXD串行輸出顯示數(shù)據(jù)，TXD輸出同步脈沖，一片164將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，用P1.0