- 超聲波測距原理
- 硬件電路設計
- 超聲波發(fā)射電路設計
- 超聲波接收電路設計
- 溫度測量電路設計
- 顯示報警電路設計
1 引言
近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我國的汽車數(shù)量正逐年增加。同時汽車駕駛人員中非職業(yè)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(fā)生追尾事故。據(jù)相關調查統(tǒng)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(xiàn)無接觸測距的倒車雷達系統(tǒng)。
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(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)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(jù)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(nèi)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(tǒng)采用單片機控制，如圖1所示。利用超聲波實現(xiàn)無接觸測距，并考慮測量環(huán)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(shù)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(jù)溫度補償?shù)贸龀暡ㄔ谀骋粶囟认碌牟ㄋ伲蓡纹瑱C計數(shù)脈沖個數(shù)獲得傳播時間，根據(jù)超聲波測距原理測得并顯示距離，再根據(jù)顯示的距離控制蜂鳴器的發(fā)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(xiàn)，其原理是檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波到經(jīng)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(shù)的方法實現(xiàn)。
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(tǒng)主要由超聲波發(fā)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(fā)射電路
在單片機控制下，使脈沖發(fā)生器輸出超聲波。脈沖發(fā)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(lián)，RA=Rl+RA''''''''，RA=R2+RB''''''''，且T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，通過調節(jié)RA和RB的阻值，實現(xiàn)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(jié)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(fā)射電路的后面加上一個調制電路。[page]
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。
超聲波接收電路的需要考慮以下幾個方面：
(1)環(huán)境噪聲、干擾、溫度等影響
圖 3給出放大電路圖。它選擇一個自舉組合電路，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(jù)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(wěn)定，通常K=-R3／R1不會引起自激，可降低干擾對電路的影響。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，在輸人端加上諧振回路。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(qū)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(tài)下測量距離等于5 m，檢波器的輸出電壓值(該電壓同樣是經(jīng)過放大檢波電路得到的)，并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，電源電壓范圍寬，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(nèi)阻限制較寬等優(yōu)點。對于LM339來說，當兩個輸入端電壓差大于10 mV時，就能確保其輸出從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)。因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。一般情況下，比較電路的輸出波形的上升沿和下降沿都有延時，可在其后面加一個與門，以改善輸出特性。將比較整形電骼的輸出送到單片機，對脈沖計數(shù)，得到渡越時間。單片機選AT89C52。
3.3溫度測量電路
目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在檢測溫度時，都采用溫度傳感器將溫度轉化為電量，經(jīng)信號放大電路放大到適當?shù)姆秶儆葾／D轉換器轉換成數(shù)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(shù)的影響。為此，利用一線性數(shù)字溫度計即集成溫度傳感器DS18B20 和單片機，構成一個高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度值，并且可根據(jù)實際要求，通過簡單的編程，實現(xiàn)9～12位的 A／D轉換。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更簡單，同時可靠性更高。溫度測量范圍從-55～+125℃，在-10～+85℃檢測誤差不超過 0.5℃，而在整個溫度測量范圍內(nèi)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位共陽LED數(shù)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(tǒng)利用超聲波實現(xiàn)了無接觸測距；采用高精度溫度傳感器實現(xiàn)了對超聲波測距系統(tǒng)的溫度測量和補償，即根據(jù)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(yōu)點，目前已批量生產(chǎn)。
