基于超聲波檢測的倒車?yán)走_系統(tǒng)的研究與設(shè)計

倒車?yán)走_（Car Reversing Aid Systems）的全稱是“倒車防撞雷達”，也稱“泊車輔助裝置”，是汽車泊車安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了安全性。

系統(tǒng)工作原理

倒車?yán)走_只需要在汽車倒車時工作，為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時汽車的行駛速度較慢，和聲速相比可以認(rèn)為汽車是靜止的，因此在系統(tǒng)中可以忽略多普勒效應(yīng)的影響。在許多測距方法中，脈沖測距法只需要測量超聲波在測量點與目標(biāo)間的往返時間，實現(xiàn)簡單，因此本系統(tǒng)采用了這種方法。

如圖1所示，駕駛員將手柄轉(zhuǎn)到倒車檔后，系統(tǒng)自動啟動，超聲波發(fā)送模塊向后發(fā)射40kHz的超聲波信號，經(jīng)障礙物反射，由超聲波接收模塊收集，進行放大和比較，單片機AT89C2051將此信號送入顯示模塊，同時觸發(fā)語音電路，發(fā)出同步語音提示，當(dāng)與障礙物距離小于1m、0.5m、0.25m時，發(fā)出不同的報警聲，提醒駕駛員停車。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

圖2 超聲波發(fā)送模塊電路

硬件設(shè)計

1 超聲波發(fā)送模塊設(shè)計

超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭（又稱“超聲波換能器”）選用CSB40T，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流在100mA以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無須驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。

本設(shè)計采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，電路設(shè)計如圖2所示。40kHz的超聲波是利用555時基電路振蕩產(chǎn)生的。其振蕩頻率計算式為f=1.43/((R ₉+2·R ₁₀)·C ₅)。將R ₁₀設(shè)計為可調(diào)電阻的目的是為了調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。為保證555時基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用+12V電源。CNT為超聲波發(fā)射控制信號，由單片機進行控制。

圖3 超聲波接收模塊電路

2 超聲波接收模塊設(shè)計

超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設(shè)計采用CSB40R，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收，必須進行波形變換。按照上面所討論的原理，單片機需要的只是第一個回波的時刻。接收電路的設(shè)計可采用專用接收電路，也可采用通用電路來實現(xiàn)，如圖3所示。

超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減與距離成正比，即距離越近信號越強，距離越遠信號越弱，通常在1mV～1V之間。當(dāng)然，不同接收探頭的輸出信號強度存在差異。由于輸入信號的范圍較大，對放大電路的增益提出了兩個要求：一是放大增益要大，以適應(yīng)小信號時的需要；二是放大增益要能變化，以適應(yīng)信號變化范圍大的需要。另外，由于輸入信號為正弦波，因此必須將放大電路設(shè)計成交流放大電路。為減少負電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用了一片LM324通用運算放大器，前三級為放大器設(shè)計，后一級為比較器設(shè)計。LM324既可以雙電源工作，也可以單電源工作，因此能滿足使用要求。為滿足交流信號的需要，每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移，即圖3中的C7、C21、C22和C24，容量均為10μF，實現(xiàn)單電源條件下交流信號的放大。對于交流信號而言，電容為短路，因此前三級放大電路的增益均為10。距離較近時，兩級放大的增益已能夠輸出足夠強度的信號了，第三級有可能出現(xiàn)信號飽和，但距離較遠時，必須采用三級放大。合理調(diào)節(jié)電位器R27，選擇比較基準(zhǔn)電壓，可使測量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

圖4 語音電路

3 語音電路設(shè)計

語音報警是指當(dāng)倒車?yán)走_探測到的距離小于所設(shè)定的安全值時，發(fā)出聲音提醒駕駛員，語音電路設(shè)計如圖4所示。M3720是單聲一閃燈報警音效集成電路，芯片內(nèi)存儲一種報警音效，可直接驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲或經(jīng)外接功放三極管推動揚聲器放音，同時還能驅(qū)動一只LED閃爍。該芯片各引腳功能為：5腳VDD；1腳VSS分別為電源輸入端與負端，VDD電壓3～3.5V；8腳X和1腳Y分別為芯片外接振蕩電阻器；6腳TG為觸發(fā)控制端，低電平觸發(fā)有效；3腳BZ和2腳BB分別為報警音效輸出端，可直接外接壓電陶瓷蜂鳴器，如果驅(qū)動揚聲器則由3腳BZ端引出；4腳L為閃燈輸出端，可直接驅(qū)動LED發(fā)光。

軟件設(shè)計

AT89C2051單片機及其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達能力強、可進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)手柄轉(zhuǎn)入倒車檔，主程序開始調(diào)用測量子程序、顯示子程序和語音提示子程序，完成整個檢測提示過程，如圖5所示。

結(jié)束語

本文所設(shè)計的倒車?yán)走_系統(tǒng)是保障汽車倒車安全的輔助系統(tǒng)，通過超聲波探頭發(fā)出超聲波，使用高速單片機計算距離，并加入了溫度補償電路，提高了距離計算的精度。系統(tǒng)安裝的液晶顯示器可以直觀的顯示溫度和距離，給駕駛員提供了方便。倒車時當(dāng)汽車與障礙物的距離小于我們所設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)便通過語音集成電路發(fā)出報警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強的實用性。