基于超声波传感器的汽车倒车防撞报警器
1.引言
由于社会的进步，经济的发展和生活水平的不断提高，汽车数量逐年增长，造成道路交通拥挤不堪，交通事故频繁发生。
本警器由单片机来控制。整个控制系统由超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路、复位电路、显示电路组成。实行实时数字显示测得的距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，驾驶员可根据个人需要调整设置报警距离，以减少事故的发生。
2．超声波传感器测距系统
2.1 超声波测距原理及系统原理框图
超声波是人耳听不到的一种声波，人耳的听音范围是20～20000Hz，本设计采用的超声波是40000Hz。超声波的纵向分辨率较高，对彩和光照度不敏感，对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本设计采用的超声波传感器往返距离为5m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。
图 1 超声波传感器内部结构
本文采用的传感器模块是压电式超声波发射器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器。
图2 超声波传感器的等效电路
2.2 超声波传感器测距方法
超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：
d=s/2=(vt)/2
其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：
v=331.4+0.61T
式中，T为实际温度(℃)，v的单位为m/s。
2.3 硬件电路设计
2.3.1 系统硬件各单元电路设计
2.3.1.1 发射电路
由于从单片发射头UC机里发出的40KHz脉冲信号的功率较低，不能直接驱动发射换能器，因而需要一个放大电路将脉冲信号放大后再送至发射换能器，驱动其发出与驱动信号同频率的超声波，所以发射电路的主要功能就是放大，发射电路下图。
图 3 发射电路图
图中，与非门74LS00和LM386组成超声波发射电路，用74LS00构成多谐振荡器，通过调节20k的电位器，可产生超声波发射的40kHz信号，其中U3A为驱动器，电路振荡频率f≈1/2.2RC，单片机的控制信号由U2A输入。为增大超声波的发射频率，本设计利用了单运放LM386，发射距离可达4m。
2.3.1.2 接收电路
超声波接收电路如图4示。接收头采用与发射头配对的超声波接收器R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。为了进行信号的整形，在设计中的CMOS电平的6非门芯片CD4069，可以减少电路的复杂程度，提高电路的带负载能力。整形后的信号由C1耦合给带有锁定环
的音频译码集成块LM567的输入端3脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。
图4 接收电路图
2.3.1.3 温度补偿电路
根据上文中可知，温度对声速的影响较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。它的测量温度范围为-55℃~+125℃，精度可达0.0675℃，最大转换时间为200ms。
数字式温度传感器和模拟温度传感器最大的区别是：将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲时隙；写“0”、读“1”时隙，读“0”、读“1”时隙。初始化后，传感器输出两个字节的温度，进行数据处理后得到实际温度的值，计算补偿声速。
2.3.1.4 液晶显示电路
字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型显示模块，分4位和8位数据传输方式。它提供5×7点阵+光标和5×10点阵+光标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个5×8点阵的图形字符的字模数据。 丰富的指令设置：清显示，光标回原点，显示开/关，光标开/关，显示字符闪烁，光标移位，显示移位等。提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。OCM2X16显示两行字符，每行可以显示16个字符。本设计采用OCM2X16，显示两行字符，一行显示当前的环境温度，一行显示所测距离。
2.3.2 加强系统稳定性的措施
2.3.2.1 微处理器控制单元
单片机控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。对单片机编程，可对测得数据优化处理使测量误差降到最低限度。单片机还控制显
示电路，通过串行口的控制脉冲输出串行数据送数字显示电路。计数方式有两种方法：①在单片机发触发脉冲的同时开启T1，收到回波立即关闭T1，这时T1的值为超声波走过的时间。②把两个上升沿处理为一个脉冲，此脉冲的宽度即是理论上与上述相等。
2.3.2.2 扩大测距范围
由于空气对超声波的吸收与超声波频率成正比，因此用来测距的超声波的频率不能很高。另一方面，频率越低，波长越长，测量的绝对误差就越大。所以，40KHz的超声波单频测距的范围只有5到6米，无法满足我们的要求。为了解决测量范围和测量精度之间的矛盾，我们采用双频测距的方法。其测距原理是：控制器现发出一串频率为fH的超声波，串长度可以有10到16个完整的波形，接着送出4到8fL低频率的超声波。这种在时域上连续的两种频率的超声波被前方的目标反射后，形成回波，回波经由接收器形成回波脉冲。由于高频声波先发出，对于同一个目标，其回波先到达单片机，因此，对于较近的目标，首先用高频超声波探测。当目标较远时，高频超声波被空气吸收而大幅衰减，接收器接收到的回波中只有低频超声波，从而可以达到提高测距范围的目的。
2.3.2.3 抗干扰措施
输入和输出通道采用光耦隔离干扰信号。采用了合理的接地措施，以防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。采用了输入和输出驱动法和降低输入阻抗法，以削弱或抑制反射波的干扰。在硬件电路中，采用了滤波电路和退耦电路，以削弱或抑制瞬变噪声的干扰。利用了TL7705构成电源监视电路，使单片机系统在掉电时能自动保护现场数据。在设计和制作电路板时，采取了相应的抗干扰措施。由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取了使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱等。采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的干扰信号。输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲，作用时间很短，当控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以有效抑制时，采用了输入口信号重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的。采用了输出口数据刷新方法。在本报警器的硬件电路中，使用了8155芯片，工作模式或控制字可能因噪声干扰等原因受到破坏，使系统输入和输出状态发生混乱，在设计中，对有关功能重新设定一次，确保接口的可靠工作。
2.3.2.4 窜绕问题的解决
在测距系统中，一般发射换能器和接收换能器的距离非常接近，可能会有一部分超声波信
号没有经过被测物体的反射而直接传到接收换能器中，这种窜绕问题给整个系统带来非常大的误差，其次，现场很多的杂波信号也会被接收换能器接收而使系统误动作。本系统接人一个具有门限作用的单限电压比较器，通过设置它的阀值电压，使高于该电压的信号被转换为高电平，否则被转换为低电平输出，这样就可以达到限幅输出的目的，从而将窜绕信号除掉。
2.4 软件电路设计
2.4.1测距系统整体流程
单片机通电正常工作后，按照下图顺序依次执行，最终完成工作要求。
图5 流程图
3. 系统调试
把程序下载到单片机中，进行联机调试，逐个检查各个按键的功能是否实现，反复实验观察，完善功能直到满足系统要求为止。
3.1 软件调试
首先是通过软件仿真，先进行单个程序仿真，然后再进行整体程序仿真，不断修改，逐步完善其功能。在这步完成后应该确定其I/O口的分配，时钟的选择和各输入信号的逻辑性及给出系统所需的信号。调试的时候一定要细心，有耐心，踏踏实实的一步一步调，不可急，否则程序会一塌糊涂。
3.2 硬件调试
由图6所示的超声波测距整体系统组成框图按信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成超声波测距系统的各功能电路。
图 6 系统硬件图
4. 结束语
在环境温度为－20～+50℃的范围内，测量误差为几个厘米，这个误差能满足正常倒车的需要。因为本设计所采用的超声波传感器的辐射范围是60度，所以安装时，需在车尾装3至
4个超声波传感器，这样才能覆盖整个范围。随着科技的发展，超声波传感器的研究也的到更加的深入和广泛，超声波传感器的生产工艺水平也随之提高，超声波传感器日益小型化、集成度不断提高，测量精度也不断提高，所以超声波传感器将更广泛地应用在人们的日常生活中。汽车防撞系统
5. 参考文献
[1] 陈杰. 传感器电路原理与制作[M]. 成都: 高等教育出版社, 2002. [2] 张和生, 宋明耀. 车载超声测距仪的研制[J]. 仪表技术与传感器. 2003. [3] 程佩青. 数字信号处理[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001. [4] 陈国华. 电子降盗报警器电路大全[M]. 北京: 电子工业出版社, 2000. [5] 康华光. 电子技术基础[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.
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