基于超聲波測(cè)距的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我國(guó)的汽車(chē)數(shù)量正逐年增加。同時(shí)汽車(chē)駕駛?cè)藛T中非職業(yè)汽車(chē)駕駛?cè)藛T的比例也逐年增加。在公路、街道、停車(chē)場(chǎng)、車(chē)庫(kù)等擁擠、狹窄的地方倒車(chē)時(shí)，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會(huì)發(fā)生追尾事故。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，15％的汽車(chē)碰撞事故是因倒車(chē)時(shí)汽車(chē)的后視能力不良造成的。因此。增加汽車(chē)的后視能力，研制汽車(chē)后部探測(cè)障礙物的倒車(chē)?yán)走_(dá)便成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。安全避免障礙物的前提是快速、準(zhǔn)確地測(cè)量障礙物與汽車(chē)之間的距離。為此，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心，利用超聲波實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)距的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)。

2整體設(shè)計(jì)及原理

超聲波一般指頻率在20 kHz以上的機(jī)械波，具有穿透性強(qiáng)，衰減小，反射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。最后由信號(hào)處理裝置對(duì)接收的信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出車(chē)與障礙物之間的距離。超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)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(cè)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(yuǎn)，靈敏度越低，從而使超聲波測(cè)距方式只適用于較短距離。目前，國(guó)內(nèi)外一般的超聲波測(cè)距儀，其理想的測(cè)量距離
為4～5 m，因此大都用于汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)等近距離測(cè)距中。該倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，如圖1所示。利用超聲波實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)距，并考慮測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)超聲波波速的影響，而且通過(guò)溫度補(bǔ)償法對(duì)速度進(jìn)行校正。使用由集成數(shù)字傳感器DS18B20構(gòu)成的溫度測(cè)量電路，可直接讀取溫度值，再根據(jù)溫度補(bǔ)償?shù)贸龀暡ㄔ谀骋粶囟认碌牟ㄋ伲蓡纹瑱C(jī)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)獲得傳播時(shí)間，根據(jù)超聲波測(cè)距原理測(cè)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(cè)距原理
目前，利用超聲波測(cè)距的方法有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法、渡越時(shí)間檢測(cè)法三種。相位檢測(cè)的精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)易受反射波的影響；渡越時(shí)間檢測(cè)工作方式簡(jiǎn)單、直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，其原理是檢測(cè)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(shí)間差，即渡越時(shí)間t。距離s=ct／2(c為聲速)，t可由單片機(jī)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)。

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

一般情況下，利用v=331+0.60T進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以適應(yīng)不同溫度下的工作要求。表2給出補(bǔ)償后聲速與溫度的關(guān)系。可以看出，0℃以下時(shí)聲速值完全吻合；0℃以上最大誤差不超過(guò)5％。

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

3硬件電路設(shè)計(jì)

倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度測(cè)量電路及顯示報(bào)警電路構(gòu)成。

3.1超聲波發(fā)射電路

在單片機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)RA和RB的阻值，實(shí)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(dòng)變阻器，使T1=T2，頻率的計(jì)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?yàn)槌暡ǖ膫鬏斠幸欢尉嚯x，為了使信號(hào)便于傳輸，通常要在發(fā)射電路的后面加上一個(gè)調(diào)制電路。



3.2超聲波接收電路
因?yàn)槌暡y(cè)距只用于近距離，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，衰減較為嚴(yán)重，反射回來(lái)的信號(hào)相對(duì)也比較微弱，因此接收端應(yīng)先設(shè)置一個(gè)放大電路，然后通過(guò)檢波電路對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，最后對(duì)檢波輸出信號(hào)進(jìn)行比較整形。