超聲波汽車(chē)測(cè)距告警裝置

1 引言

在日常機(jī)場(chǎng)保障與維護(hù)過(guò)程中，工程車(chē)、充氣車(chē)、電源車(chē)、加油車(chē)等諸多車(chē)輛常常需要在停機(jī)坪附近穿行、掉頭或倒車(chē)。由于這些低速行駛的車(chē)輛與飛機(jī)非常接近，駕駛員的視野頗受限制，碰撞和拖掛飛機(jī)的事故時(shí)有發(fā)生，在夜航時(shí)則更顯突出。為確保飛機(jī)安全，我們研制了一種測(cè)距告警裝置，有效地提高了飛機(jī)在保障和維護(hù)過(guò)程中的安全性和可靠性。我們所研制的汽車(chē)測(cè)距告警裝置的主要性能指標(biāo)如下：

作用距離 0.2 m

測(cè)距精度 ≤0.05 m

告警距離 ≤1 m(可調(diào))

漏警率 1%

虛警率 0.01%

2 基本工作原理及框圖

此裝置在單片機(jī)的控制下，利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量低速行駛車(chē)輛與飛機(jī)的距離，當(dāng)車(chē)輛與飛機(jī)的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示車(chē)輛與飛機(jī)之間的距離，提醒駕駛員及時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車(chē)輛與飛機(jī)碰撞、拖掛等事故，其原理框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、8031單片機(jī)系統(tǒng)和聲光報(bào)警、距離顯示等設(shè)備組成。

發(fā)射部分由高頻振蕩器、單脈沖發(fā)生器、編碼調(diào)制器、功率放大器及超聲換能器組成。 單脈沖發(fā)生器在振蕩器的每個(gè)周期內(nèi)都被觸發(fā)，產(chǎn)生固定脈寬的脈沖序列，來(lái)自單片機(jī)的編碼信號(hào)對(duì)脈沖序列進(jìn)行編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大后，通過(guò)超聲換能器發(fā)射超聲波。

接收部分由超聲換能器、接收放大器和編碼解調(diào)器組成。接收到的超聲波反射信號(hào)經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)后，送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，并通過(guò)距離顯示器顯示車(chē)輛與飛機(jī)之間的距離，當(dāng)該距離小于設(shè)定的告警距離時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。

在多臺(tái)車(chē)輛同時(shí)作業(yè)時(shí)，某臺(tái)車(chē)輛發(fā)射的超聲波信號(hào)可能被其它車(chē)輛接收，從而因造成系統(tǒng)混亂而產(chǎn)生誤報(bào)。為解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)對(duì)不同的車(chē)輛進(jìn)行不同的編碼調(diào)制，使每輛車(chē)只能接收到其本身發(fā)射的信號(hào)。

為有效消除干擾，編碼解調(diào)采用積累檢測(cè)解調(diào)。編碼解調(diào)的框圖如圖2所示。v1為被放大后的含有干擾的接收信號(hào)，經(jīng)門(mén)限檢測(cè)電路與門(mén)限電壓v0比較后輸出脈沖v2（當(dāng)ｖ１＞ｖ２時(shí)，輸出脈沖，反之無(wú)輸出）。單穩(wěn)電路1和單穩(wěn)電路2 相互配合與或非門(mén)共同構(gòu)成一個(gè)可以重新觸發(fā)的單穩(wěn)電路，通過(guò)此單穩(wěn)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖序 列的延時(shí)積累，其輸出為v3，v3經(jīng)積分器積分后輸出v4，最后經(jīng)整形電 路整形后輸出，ｖ５并送入單片機(jī)處理。解調(diào)器的工作波形如圖３所示。

單穩(wěn)電路時(shí)間常數(shù)的選擇，要求使其展寬時(shí)間大于載波脈沖周期。若載波脈沖周期為 25 μs，取單穩(wěn)電路的展寬時(shí)間為兩個(gè)載波脈沖周期（50μs ），則當(dāng)觸發(fā)脈沖v２為單個(gè)脈沖時(shí)，經(jīng)單穩(wěn)電路之后，其輸出脈沖v3的寬度為50 μs，當(dāng)觸發(fā)脈沖v2為兩個(gè)連續(xù)脈沖時(shí)，經(jīng)單穩(wěn)電路之后，其輸出脈沖v3的寬度為７５μs，觸發(fā)脈 沖為3個(gè)連續(xù)脈沖時(shí)，其輸出脈沖v3的寬度為100 μs ，其余依次類(lèi)推。即使由于干擾而使中間的某一觸發(fā)脈沖丟失，也可被后一個(gè)脈沖所觸發(fā)。所以，在單穩(wěn)電路展寬時(shí)間取兩個(gè)載波脈沖周期時(shí)，在v２的脈沖串中，只要不連續(xù)丟失兩個(gè)以上的脈沖，單穩(wěn)電路的暫穩(wěn)態(tài)就可保持到被v２脈沖串的最后一個(gè)脈沖觸發(fā)。因此，單穩(wěn)電路展寬時(shí)間應(yīng)根據(jù)實(shí) 際干擾環(huán)境選取。展寬時(shí)間過(guò)小，則不利于對(duì)碼元“1 ”的檢測(cè)，展寬時(shí)間過(guò)大，又不利于對(duì)碼元“ 0”的檢測(cè)，這一點(diǎn)可以從圖3所示的波形中看出。

系統(tǒng)中的發(fā)射和接收部分由單片機(jī)控制輪流工作。在單片機(jī)編碼發(fā)送完畢后，即轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉發(fā)射部分的單脈沖發(fā)生器；當(dāng)接收一定時(shí)間后再轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)重發(fā)編碼時(shí) ，同時(shí)關(guān)閉接收放大器。因此，為保證測(cè)距正確，接收時(shí)間必須根據(jù)實(shí)際量程來(lái)限制時(shí)，眾所周知，聲波傳播的距離s、速度c及傳播時(shí)間t之間的關(guān)系為：s=c×t 。若系統(tǒng)量程為5m，則接收時(shí)間ts應(yīng)滿足：ts=（2×5）/340=29.4ms

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)上電初始化后，先使安裝在車(chē)輛四側(cè)的超聲波收發(fā)裝置處于發(fā)射狀態(tài)并輸出調(diào)制編碼，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在調(diào)制編碼發(fā)送完畢后，使收發(fā)裝置處于 接收狀態(tài)，并巡回檢測(cè)四側(cè)接收裝置是否接收到返回信號(hào)。當(dāng)某一側(cè)檢測(cè)到返回信號(hào)時(shí)，就結(jié)束計(jì)時(shí)，并保存計(jì)時(shí)時(shí)間，同時(shí)接收返回信號(hào)編碼，并將其與發(fā)送編碼進(jìn)行比較， 若兩者相符，則計(jì)算車(chē)輛與飛機(jī)間的距離，并顯示距離。然后將計(jì)算機(jī)所得的距離與設(shè)定 的告警距離進(jìn)行比較，若小于告警距離就發(fā)出報(bào)警，否則返回重發(fā)。若接收編碼與發(fā)射編碼不相符，則返回重發(fā)。若四側(cè)接收裝置均沒(méi)有檢測(cè)到返回信號(hào)，則判斷接收限時(shí)是否已到， 若接收限時(shí)未到，則繼續(xù)巡回檢測(cè)接收裝置，否則返回發(fā)射狀態(tài)重發(fā)編碼。