超声波测距在汽车倒车防撞系统中的应用.docVIP

摘要：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。本文主要介绍超声波在汽车倒车防撞报警系统中的应用，以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。 　　关键字：超声波发生器；超声波换能器；测距　1 引言 　　近年来随着微电子技术发展而产生的小型价廉的微处理器（单片机）的出现，使超声波测距传感器的功能得到了提升。有了微处理器不仅使测距的精度大为提高，而且为超声波测距技术的应用开辟更大的空间。 　　利用超声波制作汽车防撞雷达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。 　　 　　2 超声波测距的工作原理与方式 　　2.1 超声波测距的工作原理 　　人能听到的声音频率为：20Hz~20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波。超声波是一种只有少数生物（如蝙蝠、海豚）才能感觉的机械波，其频率在 20kHz以上，波长短，绕射小、能定向传播。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。 　　超声波测距的原理就是利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。 　　2.2 超声波测距的工作方式 　　利用超声波测距的工作，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法： 　　（1）相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限； 　　（2）声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波的影响； 　　（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。 　　本设计的超声波测距就是使用了渡越时间检测法。在移动车辆中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体反射特性（纵波），通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到障碍物到车辆的距离。 　　 　　3 系统硬件设计 　　3.1 系统硬件总体框图 　　构成超声测距系统的电路功能模块包括发射电路、接收电路、键盘显示电路、核心功能模块单片机控制器及一些辅助电路。采取收发分离方式有两个好处：一是收发信号不会混叠，接收探头所接收到的纯为反射信号；二是将接收探头放置在合适位置，可以避免超声波在物体表面反射时造成的各种损失和干扰，提高系统的可靠性。 　　根据设计要求并综合各方面因素，选择了西安立宇电子科技有限公司的超声波测距传感器 TCT40－16T/R（T 表示发射传感器，R表示接收传感器），最大探测距离为 6m，发射扩散角为 60度。同时，采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图1所示。 　　图1 系统总体框图 　　3.2 超声波发射部分 　　超声波发射电路原理图如图2所示：由NE555 时基电路及外围元件构成40kHZ 多谐振荡器电路，调节电阻器RP 阻值，可以改变振荡频率，最终达到40KHZ。同时用单片机控制NE555 第3 脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流40~50mA。 　　用555定时器接成的多谐振荡器来驱动超声波发射传感器。555定时器外接电阻和电容构成的多谐振荡电路。振荡频率 f主要取决于电阻 R1（包括电位器的阻值）、R2和电容 C1，当 R1、R2 和 C1固定时，改变电位器的阻值就可改变振荡频率，振荡幅度由电源电压来决定。 　　图2 超声波发射电路原理图 　　但是输出的矩形波是不对称的，占空比为： 　　这里采用独立的 9V电源对三极管驱动电路供电，以增强超声波发射的能量和测量精度。3.3 超声波接收部分 　　接收电路电路的功能是将连续变化的信号放大，滤掉高频干扰和噪声，把连续变化的信号转变为离散信号，量化后进入信号采集系统。 　　超声波接收电路原理图如下图3所示，当R40-16感应到超声波时，信号经过VT2，VT1两级放大后再经整形滤波，最后有VT3放大输出，若有收到40KHZ超声波回波，输出低电平到单