基于超聲波檢測的倒車(chē)雷達系統的研究與設計

倒車(chē)雷達（Car Reversing Aid Systems）的全稱(chēng)是“倒車(chē)防撞雷達”，也稱(chēng)“泊車(chē)輔助裝置”，是汽車(chē)泊車(chē)安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀(guān)的顯示告知駕駛員周?chē)系K物的情況，解除了駕駛員泊車(chē)和起動(dòng)車(chē)輛時(shí)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(xiàn)模糊的缺陷，提高了安全性。

系統工作原理

倒車(chē)雷達只需要在汽車(chē)倒車(chē)時(shí)工作，為駕駛員提供汽車(chē)后方的信息。由于倒車(chē)時(shí)汽車(chē)的行駛速度較慢，和聲速相比可以認為汽車(chē)是靜止的，因此在系統中可以忽略多普勒效應的影響。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(diǎn)與目標間的往返時(shí)間，實(shí)現簡(jiǎn)單，因此本系統采用了這種方法。

如圖1所示，駕駛員將手柄轉到倒車(chē)檔后，系統自動(dòng)啟動(dòng)，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(jìn)行放大和比較，單片機AT89C2051將此信號送入顯示模塊，同時(shí)觸發(fā)語(yǔ)音電路，發(fā)出同步語(yǔ)音提示，當與障礙物距離小于1m、0.5m、0.25m時(shí)，發(fā)出不同的報警聲，提醒駕駛員停車(chē)。

圖1 系統工作原理框圖

圖2 超聲波發(fā)送模塊電路

硬件設計

1 超聲波發(fā)送模塊設計

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(gè)部分，超聲波探頭（又稱(chēng)“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(guò)輸出引腳輸入至驅動(dòng)器，經(jīng)驅動(dòng)器驅動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設計一個(gè)驅動(dòng)電流在100mA以上的驅動(dòng)電路。第二種方法是利用超聲波專(zhuān)用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須驅動(dòng)電路，但缺乏靈活性。

本設計采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，電路設計如圖2所示。40kHz的超聲波是利用555時(shí)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設計為可調電阻的目的是為了調節信號頻率，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。為保證555時(shí)基具有足夠的驅動(dòng)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(jìn)行控制。

圖3 超聲波接收模塊電路

2 超聲波接收模塊設計

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)射探頭對應的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，本設計采用CSB40R，否則將因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無(wú)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(jìn)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(gè)回波的時(shí)刻。接收電路的設計可采用專(zhuān)用接收電路，也可采用通用電路來(lái)實(shí)現，如圖3所示。

超聲波在空氣中傳播時(shí)，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(gè)要求：一是放大增益要大，以適應小信號時(shí)的需要；二是放大增益要能變化，以適應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，前三級為放大器設計，后一級為比較器設計。LM324既可以雙電源工作，也可以單電源工作，因此能滿(mǎn)足使用要求。為滿(mǎn)足交流信號的需要，每一級的放大器均采用阻容電路進(jìn)行電平偏移，即圖3中的C7、C21、C22和C24，容量均為10μF，實(shí)現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(shí)，兩級放大的增益已能夠輸出足夠強度的信號了，第三級有可能出現信號飽和，但距離較遠時(shí)，必須采用三級放大。合理調節電位器R27，選擇比較基準電壓，可使測量更加準確和穩定。

圖4 語(yǔ)音電路

3 語(yǔ)音電路設計

語(yǔ)音報警是指當倒車(chē)雷達探測到的距離小于所設定的安全值時(shí)，發(fā)出聲音提醒駕駛員，語(yǔ)音電路設計如圖4所示。M3720是單聲一閃燈報警音效集成電路，芯片內存儲一種報警音效，可直接驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲或經(jīng)外接功放三極管推動(dòng)揚聲器放音，同時(shí)還能驅動(dòng)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，如果驅動(dòng)揚聲器則由3腳BZ端引出；4腳L為閃燈輸出端，可直接驅動(dòng)LED發(fā)光。

軟件設計

AT89C2051單片機及其開(kāi)發(fā)應用系統具有語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、可移植性好、表達能力強、可進(jìn)行結構化設計、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(diǎn)。該系統的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當手柄轉入倒車(chē)檔，主程序開(kāi)始調用測量子程序、顯示子程序和語(yǔ)音提示子程序，完成整個(gè)檢測提示過(guò)程，如圖5所示。

結束語(yǔ)

本文所設計的倒車(chē)雷達系統是保障汽車(chē)倒車(chē)安全的輔助系統，通過(guò)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。系統安裝的液晶顯示器可以直觀(guān)的顯示溫度和距離，給駕駛員提供了方便。倒車(chē)時(shí)當汽車(chē)與障礙物的距離小于我們所設定的安全距離時(shí)，系統便通過(guò)語(yǔ)音集成電路發(fā)出報警，提醒駕駛員，防止汽車(chē)的碰撞或擦傷，具有很強的實(shí)用性。