基于超聲波測距的倒車雷達系統設計

1 引言

近年來，隨著汽車產業的迅速發展和人們生活水平的不斷提高，我國的汽車數量正逐年增加。同時汽車駕駛人員中非職業汽車駕駛人員的比例也逐年增加。在公路、街道、停車場、車庫等擁擠、狹窄的地方倒車時，駕駛員既要前瞻，又要后顧，稍微不小心就會發生追尾事故。據相關調查統計，15％的汽車碰撞事故是因倒車時汽車的后視能力不良造成的。因此。增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車雷達便成為近些年來的研究熱點。安全避免障礙物的前提是快速、準確地測量障礙物與汽車之間的距離。為此，設計了以單片機為核心，利用超聲波實現無接觸測距的倒車雷達系統。

2整體設計及原理

超聲波一般指頻率在20 kHz以上的機械波，具有穿透性強，衰減小，反射能力強等特點。工作時，超聲波發射器不斷發射出一系列連續脈沖，給測量邏輯電路提供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據時間差進行處理，自動計算出車與障礙物之間的距離。超聲波測距原理簡單，成本低，制作方便，但其傳輸速度受天氣影響較大，不能精確測距；另外，超聲波能量與距離的平方成正比衰減，因此，距離越遠，靈敏度越低，從而使超聲波測距方式只適用于較短距離。目前，國內外一般的超聲波測距儀，其理想的測量距離
為4～5 m，因此大都用于汽車倒車雷達等近距離測距中。該倒車雷達系統采用單片機控制，如圖1所示。利用超聲波實現無接觸測距，并考慮測量環境溫度對超聲波波速的影響，而且通過溫度補償法對速度進行校正。使用由集成數字傳感器DS18B20構成的溫度測量電路，可直接讀取溫度值，再根據溫度補償得出超聲波在某一溫度下的波速，由單片機計數脈沖個數獲得傳播時間，根據超聲波測距原理測得并顯示距離，再根據顯示的距離控制蜂鳴器的發聲頻率。

2.1超聲波測距原理
目前，利用超聲波測距的方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法、渡越時間檢測法三種。相位檢測的精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測易受反射波的影響；渡越時間檢測工作方式簡單、直觀，在硬件控制和軟件設計容易實現，其原理是檢測從發射傳感器發射超聲波到經氣體介質傳播后接收傳感器接收超聲波的時間差，即渡越時間t。距離s=ct／2(c為聲速)，t可由單片機計脈沖個數的方法實現。

2.2溫度與聲速的關系
由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度T有關。表1列出了幾種不同溫度下的聲速。使用時，若溫度變化不大，則可視聲速基本不變；若測距精度要求很高，則應通過溫度補償法予以校正。

一般情況下，利用v=331+0.60T進行溫度補償，以適應不同溫度下的工作要求。表2給出補償后聲速與溫度的關系。可以看出，0℃以下時聲速值完全吻合；0℃以上最大誤差不超過5％。

由上述分析可知，溫度測量的精度不僅直接影響了速度的測量精度，而且也間接影響距離的測量精度，所以溫度的測量很關鍵。

3硬件電路設計

倒車雷達系統主要由超聲波發射電路、超聲波接收電路、溫度測量電路及顯示報警電路構成。

3.1超聲波發射電路

在單片機控制下，使脈沖發生器輸出超聲波。脈沖發生器由555構成，其連接如圖2所示。7引腳和6、2引腳的上下為R和C；中間R與RP并聯，RA=Rl+RA''''''''，RA=R2+RB''''''''，且T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，通過調節RA和RB的阻值，實現輸出波形的占空比的可調。但是，這里需要50％占空比的方波，因此調節滑動變阻器，使T1=T2，頻率的計算公式為：

f=1.443／(RA+RB)C (1)

合理選擇R，C可使超聲波獲得40 kHz的輸出脈沖。因為超聲波的傳輸要有一段距離，為了使信號便于傳輸，通常要在發射電路的后面加上一個調制電路。



3.2超聲波接收電路
因為超聲波測距只用于近距離，當距離較遠時，衰減較為嚴重，反射回來的信號相對也比較微弱，因此接收端應先設置一個放大電路，然后通過檢波電路對其輸出信號進行解調，最后對檢波輸出信號進行比較整形。