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, 又要後顧,
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後視能力不良造成的。 因此, 增加
汽車的後視能力, 研制汽車後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
超聲波壹般指頻率在 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[1]
。工作時, 超聲波發射器不
斷發射出壹系列連續脈沖, 給測量邏輯電路提供壹個短脈
沖。最後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
於較短距離。目前, 國內外壹般的超聲波測距儀, 其理想的
測量距離為 4～ 5 m, 因此大都用於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, 並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壹溫度下的波速, 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
並顯示距離, 再根據顯示的距離控制蜂鳴器的發聲頻率。
圖 1 整體設計框圖
基於超聲波測距的倒車雷達系統設計
王紅雲
(軍械工程學院, 河北 石家莊 050003)
摘要: 介紹了以單片機為核心的倒車雷達系統, 它利用超聲波實現無接觸測距。 系統主要包括超聲波發射接觸以及溫
度測量電路, 突出點是利用數字傳感器 DS18B20 對溫度進行測量, 並利用聲速與溫度之間的校正公式對聲速進行校
正, 提高了渡越時間的測量精度, 進而提高了測量距離的準確度。適合測量的距離在 5 m以下, 可以滿足倒車安全的
要求。
關 鍵 詞: 汽車; 超聲波; 倒車雷達; 溫度補償; 單片機
中圖分類號: TP368 文獻標識碼: A 文章編號: 1006- 6977(2008)08- 0070- 03
Design of automobile- r ever sing r ader system based on ultr asound
distance- measur ement
WANG Hong- yun
(Ordnance Engineering college, Shijiazhuang 050003, China)
Abstr act:In this paper,the automobile- reversing rader system which uses the single chip as core is introduced.The system
uses the ultrasound to realized distance measurement without contract.The system mainly includes the blast - off receiving
and temperature measurement electric circuit.The temperature measurement circuit which uses a digital sensor DS18B20 is
given.The accurate degree of distance is compeleted.This system is suited to mesure distance which below 5 meterses can
meet the safety requestment of reversing a car.
Key words: automobile; ultrasound; automobile- reversing rader; temperature compensate; MCU
收稿日期: 2008- 05- 16 稿件編號: 200805048
作者簡介: 王紅雲(1980- ), 女, 河北衡水人, 教師。研究方向: 測量控制。
自動控制與儀器儀表 基於超聲波測距的倒車雷達系統設計
- 69-《 國外電子元器件》 2008 年第 8 期
2.1 超聲波測距原理
目前, 利用超聲波測距的方法[2]
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
範圍有限; 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後
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
由於超聲波也是壹種聲波, 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[2- 3]
。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。
壹般情況下, 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 給出補償後聲速與溫度的關
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 並聯, RA=R1+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, 這裏
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壹段距離, 為了使信號便於傳輸, 通常
要在發射電路的後面加上壹個調制電路。
3.2 超聲波接收電路
因為超聲波測距只用於近距離, 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
設置壹個放大電路, 然後通過檢波電路對其輸出信號進行解
調, 最後對檢波輸出信號進行比較整形。超聲波接收電路的
需要考慮以下幾個方面:
( 1) 環境噪聲、 幹擾、 溫度等影響
圖 3 給出放大電路圖。它選擇壹個自舉組合電路, 該電
路通過減小向輸入回路索取的電流來提高輸入阻抗, 其值為
Rin=R1R2/(R1- R2), 該值可
根據前序電路確定 R1 和
R2, 使其與前序電路級間
匹配。電路中用到的是
反相比例放大電路, 增
益比較穩定, 通常 K=-
R3/R1 不會引起自激, 可
降 低 幹 擾 對 電 路 的 影
響。因此, 合理地選擇 R3
和 R1, 可使輸出電壓達到 V級。
( 2)檢波精度
設計中采用了圖 4 所示的全波精密檢波電路。為了提高
電路的信噪比, 衰減掉不需要的頻率信號, 在輸入端加上諧
振回 路 。二 極 管 VD1 和 VD2 選 擇 高 頻 性 能 比 較 好 的
IN60。 這種檢波方式可以使二極管的死區電壓和非線性得
到很大的改善。
( 3) 比較整形電路
圖 5 示出比較整形電路。 首
先在靜態下測量距離等於 5 m,
檢波器的輸出電壓值(該電壓同
樣是經過放大檢波電路 得 到
的) , 並以此電壓值作為比較器
的參 考 電壓 uR。比 較 器選 用
LM339, 具有失調電壓小, 電源電壓範圍寬, 其單電源電壓為
2～ 36 V, 雙電源電壓為± 1～ ± 18 V,而且對比較信號源的內阻
限制較寬等優點。對於 LM339 來說, 當兩個輸入端電壓差大
於 10 mV 時, 就能確保其輸出從壹種狀態可(下轉第 73 頁)
圖 5 比較整形電路
圖 2 占空比可調脈沖振蕩電路
圖 3 放大電路
圖 4 精密全波檢波電路
- 70-(上接第 70 頁)
靠地轉換到另壹種狀態。因此, 把 LM339 用在弱信號檢測等
場合是比較理想的。壹般情況下, 比較電路的輸出波形的上
升沿和下降沿都有延時, 可在其後面加壹個與門, 以改善輸
出特性。 將比較整形電路的輸出送到單片機, 對脈沖計數, 得
到渡越時間。單片機選用 AT89C52。
3.3 溫度測量電路
目前, 大多數溫度測控系統在檢測溫度時,都采用溫度
傳感器將溫度轉化為電量, 經信號放大電路放大到適當的範
圍, 再由 A/D 轉換器轉換成數字量來完成。這種電路結構復
雜, 調試繁雜, 精度易受元器件參數的影響。為此, 利用壹線
性數字溫度計即集成溫度傳感器 DS18B20 和單片機,構成壹
個高精度的數字溫度檢測系統。 DS18B20 數字式溫度傳感器
與傳統的熱敏電阻溫度傳感器不同, 能夠直接讀出被測溫度
值, 並且可根據實際要求, 通過簡單的編程, 實現 9～ 12 位的
A/D 轉換。 因而,使用 DS18B20 可使系統結構更簡單, 同時可
靠性更高。溫度測量範圍
從- 55~+125℃, 在- 10~+
85℃檢 測 誤 差 不 超 過
0.5℃[4]
, 而在整個溫度測
量範圍內具有± 2℃的測
量精度, 其電路連接如圖
6 所示。
3.4 顯示及報警電路
顯示電路采用 4 位***陽
LED 數碼管, 碼段由 74LS244
驅動電路驅動; 驅動電路由
PNP 晶體管 8550 驅動。圖 7
給出報警電路。它采用晶體管
驅動。
4 結語
該倒車雷達系統利用超聲波實現了無接觸測距; 采用高
精度溫度傳感器實現了對超聲波測距系統的溫度測量和補
償, 即根據 v=331+0.60T, 對聲速進行了補償, 提高了測量精
度。具有電路設計簡單, 價格便宜, 測量精度比較高的優點,
目前已批量生產。
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圖 7 報警電路
圖 6 DS18B20 溫度采集電路
作電壓 30 min。 電解電容器應儲存在正常大
氣條件的環境下。
7.8 焊錫
不適當的焊錫溫度及時間均可造成表面
膠管的異常收縮破裂, 有時高溫也會由導針
及端子導熱至素子內部, 對產品造成不良影
響。 因此必須盡量避免過高溫度及過長時間
的焊錫。
8 電解電容在冰箱電源電路中的實際應用
圖 3 給出電解電容在冰箱電源電路中的應用實例。輸入
電壓經過壓敏電阻保護電路、 變壓器變壓、 整流橋電路整流
後, 將交流變成脈動的 12 V直流, 在整流電路之後接入較大
容量的電解電容 E101/E102, 利用其充放電特性, 使整流後的
脈動直流電壓變成相對穩定的直流電壓。實際應用中, 為了
防止電路各部分供電電壓因負載變化而改變時, 通過計算峰
值電壓和電解電容的紋波電流, 選用兩級濾波電解電容器。
第壹級為 2 200 μ F/35 V; 第二級為 470 μ F/35 V。 由於大容量
電解電容壹般都具有壹定的電感, 不能有效地濾除高頻及脈
沖幹擾信號, 因此, 應在其兩端並聯壹只容量為 0.1 μ F 的
C102/C103 電容器, 用以濾除高頻及脈沖幹擾。
9 結語
為了更好地應用並提高電路設計的可靠性, 這裏介紹了
鋁電解電容器的相關技術參數和使用知識。目前, 新型電解
電容的發展非常快, 正向小型化、 低阻抗化、 片式化、 高速制
造化、 寬溫度化、 高電壓化、 長壽命化以及環保綠色化方向發
展, 因此鋁電解電容器應用前景廣闊。
參考文獻:
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圖 3 電解電容在冰箱電源電路中的應用
基於鋁電解電容器的技術詳解及應用原則
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