基于超声波测距倒车雷达系统设计.doc

《基于超声波测距倒车雷达系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于超声波测距倒车雷达系统设计.doc（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、基于超声波测距倒车雷达系统设计基于超声波测距倒车雷达系统设计 1 引言 近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时 汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的 地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽 车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障 碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车 之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷

2、达系统。 2 整体设计及原理 超声波一般指频率在 20 kHz 以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时， 超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接 收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制 作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减， 因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目前，国内外一般的超声波 测距仪，其理想的测量距离为 45 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。 该倒车雷达系统采用单片机

3、控制，如图 1 所示。利用超声波实现无接触测距，并考虑测量环境温度 对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数字传感器 DS18B20 构成的温 度测量电路，可直接读取温度值，再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速，由单片机计数脉冲 个数获得传播时间，根据超声波测距原理测得并显示距离，再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。 2.1 超声波测距原理 目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的 精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬 件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发

4、射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接 收超声波的时间差，即渡越时间 t。距离 s=ct2(c 为声速)，t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。 基于超声波测距的倒车雷达系统设计 1 引言 近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时 汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的 地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽 车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障 碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点

5、。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车 之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。 2 整体设计 及原理 超声波一般指频率在 20 khz 以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时， 超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接 收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制 作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减， 因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目

6、前，国内外一般的超声波 测距仪，其理想的测量距离为 45 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。 该倒车雷达系统采用单片机控制，如图 1 所示。利用超声波实现无接触测距，并考虑测量环境温度 对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数字传感器 ds18b20 构成的温度 测量电路，可直接读取温度值，再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速，由单片机计数脉冲个 数获得传播时间，根据超声波测距原理测得并显示距离，再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。 2.1 超声波测距原理 目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的 精度高

7、，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬 件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接 收超声波的时间差，即渡越时间 t。距离 s=ct2(c 为声速)，t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。 2.2 温度与声速的关系 由于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度 t 有关。表 1 列出了几种不同温度下的声速。使用时，若 温度变化不大，则可视声速基本不变；若测距精度要求很高，则应通过温度补偿法予以校正。 一般情况下，利用 v=331+0.60t 进行温度补偿，以适应不同温度下的工作要求。表 2 给出补偿后声速

8、 与温度的关系。可以看出，0以下时声速值完全吻合；0以上最大误差不超过 5。 由上述分析可知，温度测量的精度不仅直接影响了速度的测量精度，而且也间接影响距离的测量精 度，所以温度的测量很关键。 3 硬件电路设计 倒车雷达系统主要由超声波发射电路、超声波接收电路、温度测量电路及显示报警电路构成。 3.1 超声波发射电路 在单片机控制下，使脉冲发生器输出超声波。脉冲发生器由 555 构成，其连接如图 2 所示。7 引脚和 6、2 引脚的上下为 r 和 c；中间 r 与 rp 并联，ra=rl+ra，ra=r2+rb，且 t1=0.693rac，t2=0.693rbc，通过调 节 ra 和 rb 的

9、阻值，实现输出波形的占空比的可调。但是，这里需要 50占空比的方波，因此调节滑动变 阻器，使 t1=t2，频率的计算公式为： f=1.443(ra+rb)c (1) 合理选择 r，c 可使超声波获得 40 khz 的输出脉冲。因为超声波的传输要有一段距离，为了使信号便 于传输，通常要在发射电路的后面加上一个调制电路。 3.2 超声波接收电路 因为超声波测距只用于近距离，当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号相对也比较微弱， 因此接收端应先设置一个放大电路，然后通过检波电路对其输出信号进行解调，最后对检波输出信号进 行比较整形。超声波接收电路的需要考虑以下几个方面： (1)环境噪声、干扰、温

10、度等影响 图 3 给出放大电路图。它选择一个自举组合电路，该电路通过减小向输入回路索取的电流来提高输 入阻抗，其值为 rin=r1r2(r1-r2)，该值可根据前序电路确定 r1 和 r2，使其与前序电路级间匹配。电路中 用到的是反相比例放大电路，增益比较稳定，通常 k=-r3r1 不会引起自激，可降低干扰对电路的影响。 因此，合理地选择 r3 和 r1，可使输出电压达到 v 级。 (2)检波精度 设计中采用了图 4 所示的全波精密检波电路。为了提高电路的信噪比，衰减掉不需要的频率信号， 在输人端加上谐振回路。二极管 vd1 和 vd2 选择高频性能比较好的 in60。这种检波方式可以使二极管

11、的 死区电压和非线性得到很大的改善。 (3)比较整形电路 图 5 示出比较整形电路。首先在静态下测量距离等于 5 m，检波器的输出电压值(该电压同样是经过 放大检波电路得到的)，并以此电压值作为比较器的参考电压 ur。比较器选用 lm339，具有失调电压小， 电源电压范围宽，其单电源电压为 236 v，双电源电压为118 v，而且对比较信号源的内阻限制较 宽等优点。对于 lm339 来说，当两个输入端电压差大于 10 mv 时，就能确保其输出从一种状态可靠地转 换到另一种状态。因此，把 lm339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。一般情况下，比较电路的输出 波形的上升沿和下降沿都有延时，可在

12、其后面加一个与门，以改善输出特性。将比较整形电骼的输出送 到单片机，对脉冲计数，得到渡越时间。单片机选用 at89c52。 3.3 温度测量电路 目前，大多数温度测控系统在检测温度时，都采用温度传感器将温度转化为电量，经信号放大电路 放大到适当的范围，再由 ad 转换器转换成数字量来完成。这种电路结构复杂，调试繁杂，精度易受元 器件参数的影响。为此，利用一线性数字温度计即集成温度传感器 ds18b20 和单片机，构成一个高精度的 数字温度检测系统。ds18b20 数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直接读出被测温 度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现 912 位的 a

13、d 转换。因而，使用 ds18b20 可使系 统结构更简单，同时可靠性更高。温度测量范围从-55+125，在-10+85检测误差不超过 0.5， 而在整个温度测量范围内具有2的测量精度，其电路连接如图 6 所示。 3.4 显示及报警电路 显示电路采用 4 位共阳 led 数码管，码段由 74ls244 驱动电路驱动；驱动电路由 pnp 晶体管 8550 驱动。 图 7 给出报警电路。它采用晶体管驱动。 4 结语 该倒车雷达系统利用超声波实现了无接触测距；采用高精度温度传感器实现了对超声波测距系统的 温度测量和补偿，即根据 v=331+0.60t，对声速进行了补偿，提高了测量精度。具有电路设计简

14、单，价格 便宜，测量精度比较高的优点，目前已批量生产。 军械工程学院 王红云 基于超声波时差测距法的倒车雷达设计 2007-09-14 嵌入式在线 收藏 | 打印 引言 倒车雷达是用来探测车身周围的障碍物并显示其距离，以帮助驾驶员安全倒车或泊车的辅助电子 设施1，在中高档汽车上的应用已逐渐普及，但多为无源探头倒车雷达。 目前高性能的倒车雷达大都采用有源探头，接收的回波信号在探头内部放大整理后输出，发射 信号也在探头内部耦合驱动传感器，其抗干扰性更强，探头的互换性、一致性也更高。本文给出一种有 源倒车雷达设计方案，使用超声波传感器，利用时差法来确定传感器和反射物之间的距离，在驾驶员选 择倒车挡时

15、，向驾驶员提供监视范围内是否存在障碍物的指示。 设计要求 倒车雷达常用的超声波传感器直径为 14 毫米，工作频率 40KHz，驱动电压最高为 140Vp-p，其 他的参数，如声压、阻抗、余震时间等参数请参看所用产品的说明书。根据 ISO17386 标准，主要的设计 要求有： （1）额定电压-DC 12 V，工作电流-500mA MAX. 工作温度-30+80 。 （2）测量范围：最大有效测量距离 140 厘米，最小测量距离 40 厘米。 （3）测量原理：采用飞行时间测量原理。激活的探头将创建超声波区域，在接收到探测区域内对 象所反射的能量后，测量出车辆与该对象之间的距离。 （4）距离显示：通过

16、段式液晶屏显示测量距离。在 MCU 处理以后，距离数值应传送到显示屏进 行显示并打开相应的声音报警。如果超过测量范围，显示继续，声音报警关闭。一旦进入有效范围，则 自动打开声音报警功能。 （5）警告级别：使用三级警告级别，通过缓急不同的报警信号进行表示。 （6）上电以后，系统进行自测，工作过程中不会进行故障自测。如果没有探头故障，则自测时 间不超过 100 毫秒。为保证实时性，探测到障碍物到传送显示数值的时间不应超过 600 毫秒。 （7）系统启动后进行自测，检查传感器是否故障。 （8）打到倒车档时，如果倒车速度不大于 0.5 米/秒，系统将从静止模式转变为启动模式，对周 围的障碍物进行测量。同时有手动开启开关，驾驶员可以使用开关打开和关闭此系统。 功能框图 系统包括 4 个超声探头、1 个主机和 1 个报警显示装置。为了提高性能，采用有源探头。接收的 信号在探头内部进行放大后输出；同样，发射信号也在探头内耦合以驱动传感