超声波技术在汽车防撞系统设计的应用

麦锦文

（广州市交通运输职业学校，广东 广州 510440）

现代汽车倒车防撞测距技术，利用超声波测距具有先进性和可靠性，系统通过探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物，并在危险区域内及时发出警告。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，因而利用超声波设计的倒车防撞测距系统，可以实现探测到在盲区内障碍物的距离和方向。超声波检测电路往往比较迅速、方便、易于做到声光并茂的听觉和视觉警告，通过实时控制，可以游刃有余地让驾驶员采取必要的动作措施，因此在汽车倒车预警装置的研制上，得到了实际的应用效果。

1 超声波测距原理分析

1.1 超声波传感器

超声波传感器规格品种较多，在汽车倒车防撞测距报警系统中，目前较为常用的是压电式超声波发生器。这种传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，是一种可逆的换能器件，既可以把电振荡的能量转换为机械振荡形成超声波，又可以把接收到的超声波能量转换为电振荡，图1所示是分离式反射型超声波传感器的基本工作方式。

图1 传感器的基本工作方式

1.2 超声波传感器工作原理

从图2中T/R40型超声波传感器频率特性曲线可看出，其声压能级、灵敏度在40 kHz时最大，在电路设计时40 kHz为最佳工作状态。当有40 kHz的脉冲电信号从传感器的两引脚输入时，传感器内部通过激励换能器处理以后，将其转换成机械振动能，由此而形成了超声波，并通过传感器的辐射口将超声波信号向外部空间发射。同时发射出去的超声波信号在遇到障碍物以后，立即被反射回来。接收机接收后，通过内部转换，将超声波信号变成电振荡信号，并将信号放大。汽车倒车防撞测距系统，就是通过超声波传感器获得所需要的控制信号，利用该信号控制测距和报警电路的。

图2 T/R40型超声波传感器频率特性曲线

1.3 汽车倒车防撞系统超声波测距原理

汽车倒车系统超声波测距原理是：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340 m/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=340 t/2。在接收和发射的超声波系统中，发射传感器的共振频率与接收传感器的反共振频率是互相匹配的。

2 超声波探测实验电路

原理如图3所示，该电路是利用超声波反射原理，检测前方障碍物位置，电路由超声波发射电路、接收放大电路及检测电路组成。

图3 超声波接收电路

超声波发射电路是由NE555定时器产生40 kHz的超声波信号，经超声波发射头UCM－40T向外发射（见图3）。

超声波接收电路如图4所示，若发射的超声波遇到障碍物，超声波接收头UCM－40 R将接收到反射的超声波信号，并将其转换为电信号，经过三级运算放大器放大，送入由锁相环译码器LM567组成的检测电路。当LM567设定的频率与发射频率一致时，8脚输出低电平，使三极管Q导通，在电阻R13形成高电位。如果离开障碍物，三极管Q输出低电位。接收信号可以通过一个音乐芯片、驱动电路和扬声器发出汽车的倒车安全提示警示。

图4 超声波发射电路

3 汽车超声波防撞测距系统的电路设计

汽车超声波防撞测距系统的设计，从图2超声波传感器的频率特性曲线中可以得知，超声波传感器的中心工作频率40 kHz时为最大，接收到的信号最强，当偏离这个频率时，接收的灵敏度将明显降低，当发送的频率偏离40 kHz时，探测距离也将缩短。在超声波测距系统电路设计时，关键在于调准40 kHz驱动信号。对于产生40 kHz的驱动信号，方法有多种，可以选用电感、电容振荡元件来完成驱动信号的发生器，但是其频率难以调准，稳定性相对较差。所以，以上的NE555定时器超声波实验电路，实验中不容易达到要求。

因此，在本电路设计中，介绍选用美国INTEL公司在我国非常流行的51系列单片机芯片（8751或89 C51或89 S51）作为信号的发生电路，由于采用了频率稳定性好的晶振作为系统的时钟，有极高的稳定性，由此产生的驱动信号也较为稳定，当编制不同的程序时，可以得到不同的频率输出，且成本较低、有良好的性价比。我们曾用它来完成一系列的实验，符合设计实验制作要求，且芯片内有4 k的ROM，便于编程。

3.1 系统硬件设计

汽车超声波防撞测距系统，应能帮助汽车驾驶员及时了解车周围阻碍物的情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。其硬件电路设计，接收部分电路如图5所示。图中只画出某一个方向测距电路的接线图，其他测距电路分别相同，故省略之。

图5 超声波测距电路原理图

40kHz脉冲的产生与超声波发射。测距系统中采用UCM40的压电陶瓷超声波传感器，其工作电压是40 kHz的脉冲信号，执行程序由单片机来产生。

PUZEL：MOV 14H,#12H；超声波发射持续200μs

HERE：CPL P1.0；输出40 kHz方波……

RET ……（略）

在测距电路中，假设这个方向的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0端口将输出一个40 kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40 kHz的脉冲超声波。其他电路的输入端，可以分别接P1.1和P1.2端口，工作原理分别相同。

3.2 超声波的接收与处理

接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1 R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25 mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

图6 程序流程图

4 结束语

利用51系列单片机设计汽车超声波倒车防撞测距系统，电路简单，程序设置可以自定，读数直观，工作稳定。在实验中需要注意的问题是：汽车的倒车防撞报警器电路的超声波发射传感器和接收传感器，一般并排安装在汽车的尾部，电路部分是安装在驾驶室内。两者的连接电缆长度在5 m左右，连接应采用带状屏蔽电缆较为合适，使用屏蔽线的目的，主要是为了防止外界的干扰串入电子电路，以避免倒车防撞报警的电子电路产生误动作。使实验的效果更符合实际。经实验测试证明，该类测距系统，虽然该系统中锁相环锁定需要一定时间，测得的距离有误差，但在汽车超声波测距系统应用中，此误差仍可以满足要求。

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