基于单片机的超声波测距倒车雷达系统设计.pdf

基于单片机的超声波测距倒车雷达系统设计 一、整体设计及原理 超声波一般指频率在 20 kHz 以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等 特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。 最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距 离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测 距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超 声波测距方式只适用于较短距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为 4～5 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。 该倒车雷达系统采用单片机控制，如图 1所示。利用超声波实现无接触测距，并考虑 测量环境温度对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数字 传感器 DS18B20 构成的温度测量电路，可直接读取温度值，再根据温度补偿得出超声波在 某一温度下的波速，由单片机计数脉冲个数获得传播时间，根据超声波测距原理测得并显示 距离，再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。 1、超声波测距原理 目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。 相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作 方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波 到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间 t。距离 s=ct ／2(c 为 声速)，t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。 2、温度与声速的关系 由于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度 T 有关。表 1列出了几种不同温度下的声 速。使用时，若温度变化不大，则可视声速基本不变；若测距精度要求很高，则应通过温度 补偿法予以校正。 一般情况下，利用 v=331+0.60T 进行温度补偿，以适应不同温度下的工作要求。表 2 给出补偿后声速与温度的关系。可以看出，0℃以下时声速值完全吻合；0℃以上最大误差 不超过 5％。 由上述分析可知，温度测量的精度不仅直接影响了速度的测量精度，而且也间接影响距 离的测量精度，所以温度的测量很关键。 二、硬件电路设计 倒车雷达系统主要由超声波发射电路、超声波接收电路、温度测量电路及显示报警电路 构成。 1、超声波发射电路 在单片机控制下，使脉冲发生器输出超声波。脉冲发生器由 555 构成，其连接如图 2 所 示。7 引脚和 6、2 引脚的上下为 R 和 C；中间 R 与 RP 并联，RA=Rl+RA，RA=R2+RB， 且 T1=0.693RAC，T2=0.693RBC，通过调节 RA 和 RB 的阻值，实现输出波形的占空比的 可调。但是，这里需要 50％占空比的方波，因此调节滑动变阻器，使 T1=T2，频率的计算 公式为： f=1.443／(RA+RB)C (1) 合理选择 R，C 可使超声波获得 40 kHz 的输出脉冲。因为超声波的传输要有一段距离， 为了使信号便于传输，通常要在发射电路的后面加上一个调制电路。 2、超声波接收电路 因为超声波测距只用于近距离，当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号相对也 比较微弱，因此接收端应先设置一个放大电路，然后通过检波电路对其输出信号进行解调， 最后对检波输出信号进行比较整形。超声波接收电路的需要考虑以下几个方面： (1)环境噪声、干扰、温度等影响 图 3 给出放大电路图。它选择一个自举组合电路，该电路通过减小向输入回路索取的 电流来提高输入阻抗，其值为Rin=R1R2 ／(R1-R2)，该值可根据前序电路确定 R1 和 R2， 使其与前序电路级间匹配。电路中用到的是反相比例放大电路，增益比较稳定，通常 K=-R3 ／R1 不会引起自激，可降低干扰对电路的影响。因此，合理地选择 R3 和 R1，可使输出电 压达到 V 级。 (2)检波精度 设计中采用了图 4所示的全波精密检波电路。为了提高电路的信噪比，衰减掉不需要 的频率信号，在输人端加上谐振回路。二极管VD1 和 VD2 选择高频性能比较好的 IN60。 这种检波方式可以使二极管的死区电压和非线性得到很大的改善。 (3)比较整形电路 图 5 示出比较整形电路。首先在静态下测量距离等于 5m，检波器的输出电压值 (该电 压同样是经过放大检