汽车防撞系统中的非接触式测距

唐家荣 ,　吴光碧,　田　进

(1.重庆文理学院 软件工程学院, 重庆　402160;

2.重庆文理学院 文化与传媒学院, 重庆　402160)



汽车防撞系统中的非接触式测距

唐家荣1,吴光碧2,田进1

(1.重庆文理学院 软件工程学院, 重庆402160;

2.重庆文理学院 文化与传媒学院, 重庆402160)

摘要：以单片机为控制核心，采用模块化设计以及超声波传感器实现了汽车防撞系统的非接触式测距，有效解决了汽车倒车监控及报警问题。

关键词：单片机; 超声波; 测距; 测试误差

0引言

随着现代科技的发展，传统的接触测距方法已经不能满足现代工业自动化的要求。测距应用遍及生活各个方面，如建筑行业、机械制造、计量科学等领域。统计局每年发布的伤亡事故中，交通事故已经是安全因素中的最大隐患，造成巨大的人员及财产损失。当前汽车防撞技术运用于各

类高中低档车型，防撞技术不尽相同。超声波容易发射和检测，分辨率高，测量精度能满足工业上的许多标准，计算和设计简单，易于实时控制。所以文中研究非接触式测距，采用超声波非接触测距方法，防止汽车在倒车、泊车、转弯等情况发生划伤、创伤等事故，通过模拟实验得到了良好的测试效果。

1非接触式测距概述

1.1　概念及特点

非接触式测距应用最为广泛的是空气测距、物体识别等方面。非接触测距一般为影像测量仪，与传统的接触式测距相比较，优缺点明显，其优点是不受测量人为误差因素影响，采用其数字图像处理技术，运用计算机识别，采集和处理速度非常快。测量不可接触的物体具有明显的优势，如炼钢房高温物体、核电站辐射物体等。超声波在空气中消耗缓慢，传播波速也较慢，传播距离较远，但相对于汽车倒车速度，可以假设成汽车静止，因此用于汽车防撞系统是较好的选择。

1.2　非接触式测距的分类

1.2.1激光测距

激光测距是非接触式测距关键技术之一，结合了非接触传感和现代探测技术。其优点是测试距离远、精度高、受环境影响小，因而广泛应用于各种距离测试，如在海上作战系统、空中精确打击等场合。按照工作方式不同分为脉冲和连续激光器，激光具有单色性，作为光源来测距离[1]。目前激光测距设备较多，如IMPULSE系列，虽然经历多代更新，其原理和技术基本一致。

1.2.2电磁波测距

光和无线电波均为电磁波，都是通过发送和接收电磁波达到测距的目的，以光速的速度传播，在一定温度范围内受影响微小。根据应用情况可选择合适的波长和频率，制造出成本较低、性能稳定的电子仪器。通过发送电磁波，遇到被测对象接受电磁波，源与目标之间的时间差乘以光速得到测试距离。

1.2.3超声波测距

超声波分为两大类，根据发生器不同分为机械方式和电器方式，超声波定位是蝙蝠等没有目视能力靠声波原理测试的一种生存手段[2]。超声波速度比电磁波小很多，容易测试，一般发射频率在20 kHz以上，根据发射和接收的时间差、信号强弱判断距离和位置。文中以超声波技术测距为例，结合在应用中的实际问题，根据设计要求，采用单片机控制达到测距的目的。

1.3　超声波测距原理

超声波的频率范围在20 kHz以上，人耳不能识别，超声波波长短，根据频率的高低决定绕射能力和反射能力，根据这些特性研制超声波传感器。一般汽车防撞设计中采用电器超声波，根据晶体管的谐振原理工作，发射端的电磁振荡转换为机械振荡形成超声波，接收端把超声波转换成电磁振荡的工作原理如图1所示。

图1　超声波传感器工作原理

超声波频率在40 kHz，其灵敏度最高，声压能级最大[3]。单片机产生40 kHz的控制信号，输入传感器两引角，换能器将信号转换成机械振动能发出声波；超声波遇到被测物体后反射，接收机将声波转换成电振荡信号，通过放大器放大。汽车防撞系统某点向某一方向发射信号时，单片机同时开始计时，在一定温度范围内，超声波以340 m/s的速度在空气中传播，接收端收到反射信号瞬间停止计时。传输过程中所用的时间为ΔT，忽略空气中传播时温度和空气密度的影响，速度记为声速V，得到被测物体离汽车传感器位置距离S[4]。

(1)式中:S----测试距离;

V----超声波速度，常温下可取值340m/s。

2控制系统硬件设计

超声波工作方式有两种：一种是发送与接收在被测对象的两端，例如超声波身高测试器；另一种就是发送与接收处于同一平行位置的相近点。文中超声波在汽车防撞中的应用，采取的是同一平行位置方式。测距设计的主要电路模块有单片机最小单元、发送与接收模块、显示电路等[5]。单片机采用ATMEL公司的AT89C52芯片，晶振频率为12MHz，传感器所需40kHz信号由P1.0口输出，设计方框图如图2所示。

图2　超声波测距仪原理框图

2.1　时钟电路设计

AT89C52工作时所需要的时钟信号，提高单片机的工作速度和稳定性，文中采用单片机内部提供的时钟方式。单片机内部的高增益反向运放加上外接电路，便构成了自激振荡，电路如图3所示。

图3　时钟电路图

频率的高低和AT89C52的速度成正比，但是要求ROM速度匹配，所以两个电容选择具有温度补偿的单片陶瓷电容NPO，晶振频率为上文提到的12MHz，外接电路单片机两引脚为XTAL1和XTAL2[6]。

2.2　超声波发射电路

超声波发射电路反相器和发射换能器组成发射电路，反相器采用和兴利科技的74LS05，单片机AT89C52输出的40kHz信号分别送入换能器的两极，两路信号采用不同的放大运放，提高发射强度。文中采用的压电式换能器，当外加两极的脉冲和换能器晶片固有频率相等时产生共振，带动换能器共振板从而发出超声波[7]。反相器另一作用是消除由于电路传输过程中产生的毛刺现象，通过滤波达到较好的方波效果，详细设计电路如图4所示。

图4　 超声波发射电路图

2.3　超声波检测接收电路

接收电路的功能是信号放大、消除毛刺、滤波干扰信号和噪音信号，最后变为离散信号，文中采用得赛尔公司的CX20106A集成电路[8]。一般CX20106A接收的载波频率为38kHz,如何接收超声波频率40kHz，实验表明，RW4可变电阻调节到200kΩ时方可接收，接收到40kHz输出低电平，否则输出高电平[9]。为了提高灵敏度，可改变电容C10的值，设计电路如图5所示。

图5　超声波接收电路图

3系统软件设计

根据超声波测距原理，主要是计算时间ΔT，当发射超声波信号同时启动AT89C52定时器T0，计数器计时接收与发射时间。当收到40kHz信号，接收端输出负跳变，文中利用INT0端口请求中断，AT89C52响应中断，判断执行中断程序。程序需要完成的工作是距离计算，首先读时间差，根据距离公式输出计算结果。程序用C语言编写，例如超声波发射程序且发射10次“voidUltrasonic(void)；times++；if(times==10)；break；”，编写方便快捷[10]。测试结果采用8421BCD码输出显示，同时按照报警级别控制蜂鸣器，当初次或者再次发射，主程序初始化，重复测距，流程图如图6所示。

图6　软件设计流程图

4应用设计创新

设计创新点是自动减小测量误差，原理是自动控制电容值，可以采取两种方法。经过实验测试距离存在一定的误差，主要原因有两点：一是发送与接收端之间存在夹角；再是传播速度受温度的影响[11]。该设计中，接收电路电容C7直接换成可调电容，电容容量范围的确定需要经过多次试验测试。首先给出温度范围，在多次测试中，温度不断变化，误差波动范围较小的容量值就是C7的可调范围。在要求较高时，电容改变需通过MCU控制，触发电平可直接从接收电路产生，误差电路由两部分组成[12]。一部分来自温度传感器，减小受温度误差的影响，另一部分就是角度测试样本误差，从而达到精确的控制，如图7所示。

图7　误差补偿框图

5结语

经过实验，电路成本低、可靠性高，能满足实用需求，达到了预定的效果。针对创新中的误差设计，只要误差电路精度高，可以取得较好的效果,为以后的优化电路研究，提高可靠的设计打下了良好的基础。

参考文献：

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[10]孙琳琳,石飞飞.一种高精度超声波测距仪的设计与实现[J].科学技术与工程,2010,10(30):56-60.

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[12]S Yan, Ling Li, Xin Dai. Synthesis for frequency uncertainty of the ICPT system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011(9):1-10.

Non-contacting range measurement in

automobile draft collision avoidance system

TANG Jia-rong1,WU Guang-bi2,TIAN Jin1

(1.Department of Software and Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160， China;

2.Department of Culture and Communication, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China)

Abstract：Single-chip Microcomputer is used as core controller, model design and ultrasonic sensor are applied to realize the Non-contacting range measurement for a automobile draft collision avoidance system with the functions of backing monitoring and alarming.

Key words：Single-chip Microcomputer; ultrasonic sensor; range measurement; error.

作者简介：唐家荣(1983-)，男，汉族，重庆人，重庆文理学院助理实验师，硕士，主要从事电路与系统设计、计算机控制方向研究,E-mail:61274873@qq.com.

基金项目：重庆市教委科学技术研究基金资助项目(KJ131211)； 永川区自然科学基金资助项目(2013nc8002)； 重庆文理学院2013年科研基金资助项目(Z20130016)； 大学生创新创业训练计划项目(2013007)

收稿日期：2014-09-13

中图分类号：TP 311

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2015)01-0022-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.05