泊車(chē)用超聲波測距儀的研制

關(guān)鍵詞：超聲波 測距 單片機

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(zhù)生活水平的不斷提高，汽車(chē)進(jìn)入家庭的消費意識的不斷增強。中國城市汽車(chē)的保有量迅速增加。隨之而來(lái)的是交通事故與日俱增，城市里尤其突出。發(fā)展智能交通系統是二十一世紀交通運輸的重要發(fā)展方向。智能交通系統（ITS）在充分發(fā)揮現有基礎設施的潛力，提高運輸效率。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，已得到各級政府的廣泛關(guān)注。中國政府也高度重視智能交通系統的研究開(kāi)發(fā)與推廣應用。本文論述的泊車(chē)用超聲波測距儀開(kāi)發(fā)著(zhù)眼于倒車(chē)防護，能夠實(shí)現倒車(chē)時(shí)有效的避開(kāi)可能對倒車(chē)造成危害的障礙物和行人。有效避免由于倒車(chē)造成的經(jīng)濟損失和人身安全問(wèn)題。國外高級轎車(chē)在汽車(chē)出廠(chǎng)時(shí)就已經(jīng)安裝了同類(lèi)系統。

二、系統組成和實(shí)現指標

系統由三大部分組成，（1）、兩路收發(fā)同體的空氣超聲探頭，實(shí)現汽車(chē)尾部左后和右后的障礙物探測。（2）、單片機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警電路。

本系統實(shí)現了下列技術(shù)指標；兩路超聲定位，數碼顯示距離，語(yǔ)音提示距離范圍，排數碼管顯示距離范圍。

具體指標是：Ⅰ 兩路超聲定位，每路探測范圍角14o

Ⅱ 三位數碼管距離顯示

Ⅲ 四段語(yǔ)音距離范圍提示，紅綠藍數碼管距離顯示

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(mǎn)足不同工作環(huán)境的客觀(guān)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?xún)r(jià)比高。指令系統和8031完全兼容，除沒(méi)有P0、P2口外，具有8031所有功能結構，用其構成的測量控制系統具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高、體積??；控制和發(fā)射接收電路體積為 ，硬件組成框圖如圖一所示；

單片機的P1.4、P1.5口編程為輸出口，交替輸出40KHz方波，持續時(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，由于指令運行需要時(shí)間，且當一路發(fā)射接收完畢，程序要送一次顯示。則當重復頻率約為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(yǔ)音芯片的語(yǔ)音數據段，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)送顯示數據，P1.0-P1.3發(fā)送顯示位。由于P1.0和P1.1無(wú)內部上拉電阻，應用中應分別外接上拉4.7K的電阻。

電路采用了MAX810復位專(zhuān)用芯片。由于汽車(chē)上供電采用直流12V。蓄電池和發(fā)電機并聯(lián)。惡劣的工況下（如發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)過(guò)程中），電壓降至6V左右。單片機的電源取自車(chē)載的12V，這樣對單片機的正常運行將是一種嚴重的干擾，程序會(huì )跑非。MAX810可以很好的解決這一問(wèn)題。其功能就是監控單片機的供電電壓；當供電電壓低于一個(gè)設定的閾值時(shí)，MAX810復位并在供電電壓恢復到閾值以上時(shí)延續140ms。這樣可以很好的解決單片機供電電壓不穩對單片機造成的干擾。

3.2、超聲發(fā)射接收電路

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

3.2.1、發(fā)射電路

由于單片機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(lái)提高其輸出電流的能力。保證40KHz的脈沖信號有一定的功率。

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)現小信號有效放大，提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗。本電路設計了兩級二階無(wú)限增益反饋帶通濾波放大，中心頻率為40KHz；第一級的增為A1=-120，第二級的增益A1=-320，保證把微伏級的信號放大到伏級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檢波，變成單一極性的信號；二值化即一位A/D，設置閾值電平，把模擬回波變成電平信號輸入到P1.6。

3.3、語(yǔ)音報警電路

語(yǔ)音報警作為測量?jì)x器的輸出是一種很直觀(guān)、易懂的形式，人機界面友好，考慮到駕駛員在倒車(chē)時(shí)一般無(wú)暇估計車(chē)上的儀表，注意力在車(chē)的后方，故設計時(shí)采用了語(yǔ)音報警。語(yǔ)音技術(shù)產(chǎn)品目前市場(chǎng)上品種很多，本電路采用是ISD公司的ISD1110語(yǔ)音芯片，芯片采用了（DAST）直接模擬存儲技術(shù)，集程度高。錄放音時(shí)間10秒，分80段，微機控制可靈活組合，輸出需要的語(yǔ)音信號。應用中應要求自制開(kāi)發(fā)系統，利用PC的并行口，將語(yǔ)音錄制到芯片中，連接到系統中。共錄制了4段，分別是；“1.5米區”；“1米區”；“0.5米區”；“極限警示音樂(lè )報警”。依據測量距離的大小定時(shí)播放相應的語(yǔ)段。如測量結果為0.8米，報“1米區”?？刂齐娐方涌谌鐖D四所示；ISD1110的A3、A4、A5選擇報警語(yǔ)段，PLAYE接P3.5，下降沿觸發(fā)放音。

3.4、顯示電路

除了聲音報警之外，光報警是另一種有效的報警方式。設計中光報警有兩種形式。三個(gè)數碼管顯示當前測試距離（單位mm），超量程顯示“- - -”，倒車(chē)離障礙物距離小于25mm顯示“SOS”閃爍，語(yǔ)音播放警示音樂(lè )。排數碼管有兩紅、兩綠、兩藍，顯示相對距離，當測量值大于1米范圍，至多兩綠管亮；當測量值大于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。排數碼管顯示測試距離的相對值，距離越近，數碼管亮的位數越多。

電原理圖見(jiàn)圖五，用RXD串行輸出顯示數據，TXD輸出同步脈沖，一片164將串行數據轉換為并行數據，用P1.0