基于STC12C5A03的倒车雷达系统设计

2012-10-14郑建立

科技传播 2012年8期

李东，郑建立

东华大学信息科学与技术学院，上海 201620

0 引言

2011年底我国汽车保有量破一亿大关位于世界第二，然而，随着保有量的激增由此而带来了道路拥挤和交通事故频发等问题。在所有交通事故中，由泊车而引发的交通事故占有很大比例。因此，倒车雷达系统应运而生。本文介绍的倒车雷达系统采用渡越时间法进行超声波测距，并运用自动增益放大电路提高系统的测量精度。

1 超声波测距原理

渡越时间法(TOF)的工作原理：检测从超声波发射探头发射出去的超声波, 经气体介质传播到接收探头的时间, 这一段时间称为渡越时间。渡越时间与超声波在气体介质中的声速相乘, 就是声波传输的距离。公式如下所示：

式中，s为待测距离,v超声波在气体介质中传播的声速,t为渡越时间。

超声波在空气中传播时很容易收到环境温度的影响，超声波速度与空气温度的关系为：

其中，v0为超声波在0℃的空气中的传播速度331.45m/s,T为空气的温度。

2 系统硬件设计

该系统以STC12C5A60S2为核心控制芯片，系统主要包括超声波测距模块，温度补偿模块，时钟模块，显示模块和语音报警模块等。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统的总体框图

2.1 超声波测距模块

本文设计的超声波测距模块采用了自增益放大电路、渡越时间法检测电路和峰值检测电路。可变增益放大电路主要用来调整回波信号的幅值；渡越时间法检测电路主要用来判断接收的信号是否为回波，若是回波，则请求单片机中断，立刻停止时钟模块的计时工作，将所计时时间传递给单片机；峰值检测电路主要用于消除干扰信号，检测出回波信号的峰值传递给单片机。

超声波测距模块主要包括超声波传感器，超声波发射接收电路、前置放大电路、可变增益放大电路、带通滤波电路、峰值检测电路、渡越时间法检测电路。

2.1.1 超声波发射接收电路

本系统超声波传感器选用收发一体式超声波传感器TCF40-25TR1，其中心频率为40kHz。超声波发射接收电路接收通过P1.0 输出的，由STC12C5A60S2单片机产生40kHz的TTL脉冲信号，驱动超声波传感器发射超声波，超声波在空气中传播，遇到障碍物反射的回波信号加载到超声波传感器上。

图2 超声波发射接收电路

2.1.2 可变增益放大电路

由于超声波在空气中传播时，超声波的声强随着传播距离的增加而呈减少，其减小系数与超声波频率的平方成正比。因此系统设计可变增益放大电路，主要是使得放大器的增益随距离的变化而自动调整，使得回波信号的幅值不随距离的变化而受到较大影响。可变增益放大电路AGC如下图所示。

图3 可变增益放大电路AGC

这里采用一对场效应管J1和J2可组成动态范围较大的增益，由外加电压AGC控制的压控放大器。而控制电压AGC应能随目标的远近自动调整，即当测量距离变小时，接收回波信号较大，这时，AGC应自动调小，反之，AGC应自动调大。图4为电路设计可得到满足这一要求的控制电压。

图4 控制电压产生电路

2.1.3 峰值检测电路

本文系统设计回波峰值检测技术，主要是消除虚假回波和噪声的干扰。因为干扰信号有可能达到正常回波的域值，但其幅值达不到正常回波的峰值，因此采用回波峰值检测电路可有效剔除干扰信号，提高超声波测距模块的检测精度和可靠性。为了避免二极管死区电压对超声波测距模块检测精度的影响，系统利用深度负反馈和运算放大器开环增益大来有效限制。

图5 峰值检测电路

2.1.4 渡越时间法检测电路

系统中的渡越时间法检测电路采用可变域值检测、回波峰值检测、过零检测等技术。这样就可以检测到准确的检测到回波信号，并发送命令使得时钟模块停止计时，保证了渡越时间的准确和可靠性。

2.2 温度补偿模块

由于空气的温度对超声波的波速有一定影响，因此系统设计温度补偿模块对环境温度进行测量，通过公式2得出当前温度下的超声波波速。系统温度补偿模块选用美国 DALLAS 半导体公司的DS18B20温度传感器作为核心芯片，其集温度测量、A/D 转换于一体，具有体积小、动态范围宽、测量精度高等优点。该芯片具有独特的单线接口，仅需要一个端口引脚进行通信；可以通过数据线供电，电压范围为3.0V～5.5V；测温范围为-55℃～125℃，分辨率最大可达 0.0625℃，基本可以满足实际测量的需要。