【文章內(nèi)容簡介】 干擾因素眾多，科研工作者在實驗室制造樣機(jī)時，對許多因素考慮并不全面，造成在實際應(yīng)用中，防撞雷達(dá)的工作效果并不理想。 1986年，奔馳公司發(fā)起，包括遍及歐洲的 17家主要汽車生產(chǎn)廠和 50多個研究所，制訂了 “Promtheus”計 劃，將組合傳感器、通信、人工智能技術(shù)于一個系統(tǒng)中，其目的是改進(jìn)汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和有效性，其中研制出的性能優(yōu)良的汽車防撞雷達(dá)，幫助駕駛員避免發(fā)生交通事故，是該計劃的一個 重要組成部份，該計劃，隨著微波器件及其集成技術(shù)的高速發(fā)展，以及微處理器性能價格比的突飛猛進(jìn)，使得制造出低成主本、高性能的汽車防撞雷達(dá)成為可能，進(jìn)入 90年代后，德國在這方面的研究工作處于領(lǐng)先地位。 20世紀(jì) 90年代中期以后，一些公司開始將注意力轉(zhuǎn)向汽車的新型防撞雷達(dá)，這種新型防撞雷達(dá)應(yīng)用于高速公路，稱為 “AICC，即自主智能巡航控制。是汽車?yán)走_(dá)發(fā)展的高級階段，就實際情況看，國際上研制出的用于高速公路的防撞達(dá)基本上都只需完黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 成向駕駛員提供危險警報功能，為駕駛員爭取一定的反映時間。 歐盟 RadarNet研究項目整 合己有研究成果，研制新型多功能汽車防撞雷達(dá)，其中，德國奔馳公司和英國勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車防撞雷達(dá)工作于 35GHz，探測距離 150米，信號處理系統(tǒng)可以計算出前方車輛或障礙物的距離及相對速度，并根據(jù)后車速度計算出必要的安全距離，當(dāng)兩車距離小于安全距離時發(fā)出燈光和聲音報警信號，安裝在轎車、客車上試用，效果較好。 美國防撞技術(shù)研究起步較晚，但目前已處于世界領(lǐng)先水平。主要代表有福特和Eaton }orad公 司開發(fā)的汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，其前方探測距離 106米，可在探測范圍內(nèi)跟蹤 20多個目標(biāo)，工作頻率 ，雷達(dá)功 率 SmW a國 內(nèi)對汽車防撞裝置的研究相對比較晚，整體水平也相對較低。具有代表性是有 :上海汽車電子工程中心研制的SAE100型毫米波汽車防撞雷達(dá)樣機(jī)，采用 LFMCW制式，工作頻率 35GHz，測距范圍大于 100米，測速范圍大于 100km/h采用增益為 26dB的喇叭天線，發(fā)射功率 405mW，以DSP為中央處理器。 本課題的主要研究內(nèi)容 （ 1）研究國內(nèi)外汽車防撞系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展歷史，理解本課題研究的意義； （ 2）分析各種汽車防撞系統(tǒng) 的基本原理和優(yōu)缺點 ； （ 3）提出改進(jìn)汽車防撞系統(tǒng) 的對策 （ 4）設(shè)計一種新型的汽車防撞系統(tǒng) ，給出設(shè)計電路圖 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 系統(tǒng)的總體設(shè)計與分析 超聲波測距原理 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t,然后求出距離 S=Ct/2，式中的 C 為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表 1 列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這 就是超聲波測距儀的機(jī)理。圖 即為超聲波測距的具體流程圖。 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相 同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便定時器 顯示器 振蕩器 調(diào)制器 接收檢測器 電聲換能器 計時器 控制 電聲換能器 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 5 產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 測量與控制方法 聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目 標(biāo)物體 阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統(tǒng)的測量原理。超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 超聲波傳感器 結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)方框圖 超聲波汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖如圖 所示。該系統(tǒng)全部由單片機(jī)控制，超聲波發(fā)射電路能在單片機(jī)的控制下發(fā)出超聲波。接收電路接收到信號之后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，算出車尾與障礙物之間的距離，將處理結(jié)果送入顯示電路進(jìn)行顯示，再按照技術(shù)指標(biāo)的要求由聲光報警電路進(jìn)行報警。 圖 超聲波汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 超聲波發(fā)射部分的設(shè)計 超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭的型號選用 CSB40T，采用軟件發(fā)生法產(chǎn)生 40Kz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波，這種方法充分利用軟件，靈活性好。超聲波發(fā)送器設(shè)計圖如圖 。 圖 超聲波發(fā)送電路圖 超聲波接收器的設(shè)計 超聲波接收器包括超聲波接受探頭，信號放大電路及波形變換電路 3部分。超聲波接收器設(shè)計圖如圖 。按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個回波的時刻。接收電路的設(shè)計可采用通用電路來實現(xiàn)。超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減程度與距離成正比，距離越近、信號越強(qiáng)，距離越遠(yuǎn)、信號越弱，通常在 lmv～ 1V之間。放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用一片 HD74HC04P通用運算放大器，前三級為放大器設(shè)計，后一級為比較器設(shè) 計。為滿足交流信號的需要，每一級放大器均采用電容電路進(jìn)行電平偏移，對交流信號而言，電容為短路，前三級放大電路的放大增益均為 10。實驗中發(fā)現(xiàn)，距離較近時，兩級放大的增益能輸出足夠強(qiáng)度的信號，在第 3級有可能出現(xiàn)信號飽和，但距離較遠(yuǎn)時，必須采用三級放大電路。合理調(diào)節(jié)電位器R10，選擇比較基準(zhǔn)電壓，使測量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。實驗證明，比較參考電壓的選取黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 非常關(guān)鍵，它與測量靈敏度、系統(tǒng)魯棒性都有關(guān)聯(lián)。選小可提高測量靈敏度，但魯棒性下降，容易出現(xiàn)虛假回波被捕捉的情況，選大則情況相反 圖 超聲波接收電路圖 2. 8 理論計算 圖 測距的原理 T 2 T 1 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 如圖 所示為反射時間 ，是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的 時間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間 T 利用公式 2TCS ?? （ 21） 其中， S 為被 測距離、 V 為空氣中聲速、 T 為回波時間， 21 TTT ?? （ 22） 可以計算出路程，這種 方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號的影響也可以通過設(shè)置 “時間門 ”來加以 克服。這樣可以求出距離： ? ?2 21 TTCS ?? （ 23） 本次設(shè)計是用 555 時基電路振蕩產(chǎn)生 40Hz 的超聲波信號。其振蕩頻率計算公式如下： ? ?? ?5109 2 CRRf ???? （ 24） 影響精度的因素分析 1） 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接 收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為： ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s??? （ 25） 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準(zhǔn)確的接受時間，必須對收到的信號進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的 判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。 2）當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時間的影響嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 ?s RTC M? （ 26） 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢? ? ? ?0C C 1 T 27 3 （ 27） 式中 C0=； T 為絕對溫度，單位 K 。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1oC, 聲速將增加或者減少 /s ，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀佟? 對于時間誤差主要由發(fā)送計時點和接收計時點準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計時點選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對發(fā)射信號和加收信號通過校正的方式來實現(xiàn)準(zhǔn)確計時。此外，當(dāng)要求測距誤差小于 1 mm 時，假定超聲波速度 C=344 m／ s(20℃ 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差。則測距誤差 s△ t 002 907 s，即 ms。根據(jù)以上過計算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于 1 mm 的誤差。使用的 12 MHz 晶體作時鐘基準(zhǔn)的 89C51 單片機(jī)定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 AT89S51 的定一時器能保證時間誤差在 1 mm 的測量范圍內(nèi)。 超聲波的傳播速度主要受空氣密度所的影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。由此可見 ，測量精度與溫度有著直接的關(guān)系，本文采用 DS18B20 溫度傳感器，對外界溫度進(jìn)行測量，并在軟件中實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 提高精度的方案及系統(tǒng)設(shè)計 1）溫度校正的方法提高測距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式 ⑷ 求出當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。 為了便于對溫度信號的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 集成溫度傳感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1WIRE 總線專利技術(shù)，能夠僅在占用控制器一個 I/O 口的情況下工作（芯片可由數(shù)據(jù)線供電），極大的方便了使用者的調(diào)試使用，而且其在－ 10oC ～＋ 85oC 的工作環(huán)境下可以保持 177。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 % 的使用精度，在這個空間內(nèi)足以保證為超聲波測距設(shè)備提供足夠的精度范圍。 通過 DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號經(jīng)由 1WIRE 總線傳至 MCU ，由軟件進(jìn)行聲速換算。為了更好的實現(xiàn)換算過程同時兼顧設(shè)備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機(jī)實現(xiàn)超聲波測距的各項功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、強(qiáng)抗干擾設(shè)計，并且在最高支持 48MHz 前提下能夠?qū)崿F(xiàn) 1 個時鐘 / 機(jī)械周期 運行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對于普通單片機(jī)來說可以有 效的減少由計時問題帶來的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測距儀 設(shè)計要求。 2）標(biāo)桿校正的方法提高測距精度 在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時，如果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。標(biāo)桿校正的示意圖如圖 所示 。 圖 標(biāo)桿校正的示意圖 超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離 h 根據(jù)公式 ⑷ 求出當(dāng)?shù)芈曀佟Ｍㄟ^這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設(shè)備設(shè)定 “標(biāo)定 ”和 “測量 ”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。 本章小結(jié) 通過確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，在數(shù)