【正文】 汽車倒車測距儀的設(shè)計(jì)趙文龍1 　苑鴻驥1 　萬衛(wèi)強(qiáng)1 　許光濘1 　萬澤亮2(1. 南昌航空工業(yè)學(xué)院測控工程系　江西南昌　330034 。2. 江鈴汽車集團(tuán)公司江西南昌330001)摘　要　本文介紹了汽車倒車測距儀的功能確定、測距原理、設(shè)計(jì)方法及技術(shù)實(shí)現(xiàn),介紹了汽車與障礙物間距離測量的信號(hào)處理方法。論述了如何有效地測出并實(shí)時(shí)地顯示出汽車與障礙物的距離,規(guī)定了各種不同的報(bào)警類型,對(duì)于相關(guān)類測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考意義。關(guān)鍵詞　超聲　單片機(jī)　測距　信號(hào)調(diào)理中圖分類號(hào)　TB551 　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A前言隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,汽車的數(shù)量逐年增加,例如1999 年,我國的汽車年產(chǎn)量已突破了180 萬輛,造成公路、街道、停車場、車庫等越來越擁擠不堪。汽車駕駛員越來越為車的安全擔(dān)心了,其中倒車就是一個(gè)典型,在繁忙、擁擠、狹窄的地方倒車時(shí),駕駛員即得“瞻前”,又要“顧后”,往往一不小心,就會(huì)與汽車尾部障礙物發(fā)生碰撞事件。經(jīng)過調(diào)查,對(duì)絕大部分非職業(yè)汽車駕駛員都希望有一種能發(fā)現(xiàn)汽車尾部障礙物的“后視眼”———倒車測距儀,因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的汽車倒車測距儀,可以解決駕駛員的“后顧之憂”。1 　汽車倒車測距儀的功能指標(biāo)確定經(jīng)過對(duì)許多汽車駕駛員的調(diào)查,確定主要功能指標(biāo)如下:(1) 最大測距5. 00 米,最小測距0. 35 米,實(shí)時(shí)數(shù)字顯示測得距離,顯示分辨率0. 01 米。(2) 超過5. 00 米為溢出,僅顯示小數(shù)點(diǎn),當(dāng)距離小于0. 35 米時(shí),顯示為0. 00 ,表示很危險(xiǎn)。(3) 燈光報(bào)警:當(dāng)距離小于0. 60 米時(shí),報(bào)警指示燈亮。(4) 聲音報(bào)警:當(dāng)距離小于1. 20 米時(shí)蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為1 Hz 的Bi ?Bi ?聲,當(dāng)距離小于0. 90米時(shí)蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為2 Hz 的Bi ?Bi ?聲,當(dāng)距離小于0. 60 米時(shí)蜂鳴器發(fā)出間隔頻率為5 Hz 的Bi ?Bi ?聲,當(dāng)距離小于0. 35 米時(shí)蜂鳴器連續(xù)發(fā)出BiBiBi 聲。2 　測距原理根據(jù)聲音傳播過程中遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射這一原理可以測量距離,超聲波測距也是這個(gè)原理,即用超聲脈沖發(fā)射和接收其回波之間的時(shí)間差來計(jì)算距離,計(jì)算公式如下:V = 331. 5 + 0. 607 T式中:V ———超聲波在空氣中傳播速度,其單位為米/ 秒,T ———環(huán)境溫度,單位為℃。D = V Δt/ 2 = V (t1 t0) / 2式中:D ———被測距離,單位為米,Δt ———超聲脈沖發(fā)射與接收其回波的時(shí)間差,單位為秒,t1 ———超聲回波接收時(shí)刻,t0 ———超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用單片機(jī)的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器可以較方便地實(shí)現(xiàn)該測距原理,設(shè)單片機(jī)的T0 端為起始發(fā)射同步定時(shí)器(確定起點(diǎn)t0) ,單片機(jī)的T1 端為回波測量定時(shí)器(確定起點(diǎn)t1) ,單片機(jī)的P1. 0 (稱F 端) 輸出窄脈沖串,各端工作波形如圖1 所示。測量出t1 和t0 ,就可以算出障礙物和超聲探頭之間的距離。3 　技術(shù)實(shí)現(xiàn)3. 1 　系統(tǒng)框圖說明系統(tǒng)框圖如圖2 所示,采用AT89C2051 單片機(jī)作為智能處理部件,配有各種接口電路可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間差采樣、距離運(yùn)算、顯示及聲光報(bào)警等功能。由于系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù)是測量超聲脈沖發(fā)射與其回波的時(shí)間間隔,故單片機(jī)與超聲信號(hào)處理部分的連接端的工作時(shí)序是關(guān)鍵,而超聲信號(hào)處理部分主要由超聲脈沖發(fā)射、超聲回波接收兩部分構(gòu)成,超聲信號(hào)處理部分的工作受單片機(jī)控制的,那么單片機(jī)是怎樣控制超聲信號(hào)處理電路呢?圖1 　測量原理時(shí)序圖圖2 　系統(tǒng)框圖單片機(jī)需要和超聲信號(hào)處理電路共同完成測量過程,一次測量的全過程定為38. 5 毫秒(見圖1 所示) 。首先通過T0 端給超聲信號(hào)處理電路發(fā)出一個(gè)1. 8 毫秒的同步負(fù)脈沖信號(hào),超聲信號(hào)處理電路開始新一輪的測量過程。單片機(jī)將此時(shí)刻定為初始時(shí)刻t0 ,而且T0 端在低電平期間還控制超聲信號(hào)處理部分工作在超聲脈沖發(fā)射狀態(tài)。單片機(jī)在T0 端給出同步負(fù)脈沖的同時(shí),還通過F 端向超聲信號(hào)處理電路發(fā)出16 個(gè)40 KHz 的方波(需0. 4 毫秒) ,該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)后耦合到換能器最終發(fā)射出超聲脈沖串。在T0 端的負(fù)脈沖結(jié)束時(shí),超聲信號(hào)處理部分自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌暬夭ń邮諣顟B(tài)。超聲波在空氣中傳播時(shí)不會(huì)折返,僅當(dāng)超聲波遇障礙物后才被反射,當(dāng)返回的超聲波通過換能器時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),如果在氣溫為20 ℃時(shí),超聲脈沖6. 615 米內(nèi)的遇障礙產(chǎn)生的回波有一定強(qiáng)度(聲壓) ,經(jīng)過特定電路處理后,能夠在38. 5 毫秒之內(nèi)獲得一個(gè)觸發(fā)脈沖,單片機(jī)的定時(shí)器T1 記錄下該脈沖下降沿時(shí)刻t1 ,單片機(jī)根據(jù)初始時(shí)刻t0 (也稱發(fā)射時(shí)刻) 和接收時(shí)刻t1 就可以算出,該距離的一半即為所測距離。當(dāng)介于6. 615 米和6. 924 米之間的障礙物產(chǎn)生的回波仍然有一定的強(qiáng)度時(shí),應(yīng)由T0 端低電平控制不允許產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,而超過6. 924 米以外的障礙物產(chǎn)生的回波的聲壓,應(yīng)該低于允許觸發(fā)的閾值,這樣可以確保本次測量發(fā)出的超聲脈沖不會(huì)影響到下一個(gè)測量周期的計(jì)時(shí)。再說,由于要求的最大測距為5. 00 米,當(dāng)計(jì)算出的距離超過5. 00 米時(shí),僅顯示溢出標(biāo)志,不顯示距離,為了確保計(jì)算的合理性,每次在發(fā)完16 個(gè)40KHz 的方波后,才啟動(dòng)上一個(gè)測量周期的距離計(jì)算、顯示及報(bào)警處理,對(duì)上一個(gè)測量周期內(nèi)未能產(chǎn)生對(duì)定時(shí)器T1 的觸發(fā),則按距離溢出處理。倘若計(jì)算出的距離小于某個(gè)報(bào)警閾值,則處理相應(yīng)的報(bào)警,測距在安全距離,則關(guān)閉報(bào)警。如把超聲探頭安裝在汽車尾部,就可測量出汽車與障礙物之間的距離。3. 2 　系統(tǒng)的超聲信號(hào)處理部分由于汽車尾部較寬,為了有效地探測出車尾與障礙物間的距離,應(yīng)在汽車尾部安裝多個(gè)超聲換能器,根據(jù)一般需求裝2～3 個(gè)較合適,我們把倒車測距儀設(shè)計(jì)成3 個(gè)測量通道。為了安裝方便和減小系統(tǒng)體積,我們選用發(fā)射和接收合為一體的空氣探頭(換能器) 。實(shí)際顯示的汽車與障礙物之間的距離是3 個(gè)探頭與障礙物之間的距離的最小值。考慮倒車測距儀有3 個(gè)測量通道,對(duì)3 個(gè)探頭采用掃描工作法,可以共用一個(gè)信號(hào)處理電路,達(dá)到降低成本的目的。3. 2. 1 　超聲脈沖發(fā)射電路該部分的方框圖如圖3 所示,由單片機(jī)產(chǎn)生的40 KHz 方波電壓能量有限,不能有效地推動(dòng)空氣探頭工作,為了獲得足夠的能量,必須先經(jīng)過反相驅(qū)動(dòng)器前置驅(qū)動(dòng),再經(jīng)一級(jí)發(fā)送驅(qū)動(dòng)后發(fā)射出去。通過三路模擬傳輸開關(guān)來控制信號(hào)送哪一個(gè)探頭的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器輸入端。三路模擬傳輸開關(guān)需要一個(gè)3 進(jìn)制脈沖分配器來控制,而脈沖分配器由單片機(jī)的T0 端信號(hào)反相后觸發(fā)的。3. 2. 2 　超聲回波接收電路超聲波碰到障礙物會(huì)發(fā)生透射和反射,其中反射到探頭的超聲波被換能器變成電壓信號(hào)。由于超聲波在空氣中衰減較嚴(yán)重,探頭接收到的反射波很微弱,故換能器輸出的電壓信號(hào)也很微弱,所以先對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大,即設(shè)置了一個(gè)限幅的前置放大環(huán)節(jié)。由于發(fā)射和接收用同一個(gè)換能器,發(fā)射時(shí)的大幅值電壓脈沖會(huì)影響前置放大器的正常工作, 故這個(gè)環(huán)節(jié)除放大作用外,還有限幅作用,限幅就是為了避免大幅值的發(fā)射電壓無約束地回饋到后面的電路。圖3 　超聲脈沖發(fā)射電路框圖由于有多個(gè)探頭和限幅前置放大環(huán)節(jié)組成多個(gè)接收通道,各通道電子器件參數(shù)存在差異而造成各通道不平衡,會(huì)影響測量精度。因此,接下來就要設(shè)置一個(gè)平衡調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。反射波被探頭轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后經(jīng)前置放大和平衡調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),再通過模擬傳輸開關(guān),其電壓幅度還較小,又設(shè)置了二級(jí)放大器。為了消除發(fā)射電壓回饋到信號(hào)處理電路而引起單片機(jī)誤計(jì)時(shí),此時(shí)需要一個(gè)可控濾波器,它由單片機(jī)的T0 端控制,它對(duì)發(fā)射電壓回饋的信號(hào)進(jìn)行旁路,而對(duì)回波的接受信號(hào)無權(quán)處理,100 %向后傳輸。為了減少噪聲的干擾,系統(tǒng)中少不了帶通放大裝置。反射波的強(qiáng)弱,與距離有很大關(guān)系。在測量范圍內(nèi)的電路應(yīng)有足夠的增益,設(shè)置增益可調(diào)放大環(huán)節(jié)是必要的。經(jīng)上述處理的信號(hào)不能直接作為單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器T1 的觸發(fā)信號(hào),必須先包格檢波,再鉗位比較,這樣才能形成定時(shí)器T1 的觸發(fā)信號(hào)。鉗位比較器的閾值電壓是變化的(由單片機(jī)的T0 端控制) ,再一次避免了因發(fā)射電壓回饋信號(hào)而引起單片機(jī)誤計(jì)時(shí)。超聲波接收電路框圖如圖4 所示。