超声波车位信息采集器的设计

摘 要 随着汽车保有量的迅猛增加，在拥挤的市区里汽车与停车位之间的矛盾越来越突出。如果能实时掌握空置停车位的数量及位置信息，可以帮助停车场管理人员更充分、高效地利用有限的车位资源。超声波车位信息采集器是利用在车位有车和无车状态下超声波发射后遇到障碍物反射回来的时间不同的原理，做出车位上有车/无车的判断，然后通过CAN局域网将车位信息上传到服务器。

【关键词】超声波 CAN局域网总线 电压跟随 自动量程切换

超声波车位信息采集器是基于超声波测距的原理实现的。将其安装在车位的正上方，向下发射超声波，经地面或车辆顶部反射后由传感器接收，记录下传输的时间从而计算出传输的距离。根据有车与无车时距离的不同判断有无车辆停放。

1 系统设计

如图1所示，该系统由单片机控制模块、超声波信号驱动电路、接收电路、CAN局域网通信模块、车位状态指示电路、电源输入保护电路、功能设定模块构成。CAN局域网通信模块接收到上位机指令，由单片机控制模块输出40KHz脉冲信号，经过超声波驱动电路发射超声波信号。信号经过空气传播由地面或车辆反射回超声波接收电路将信号放大，整形并触发单片机控制模块计算出发射与接收之间的时间差判断车位状态，并控制车位状态指示电路显示车位状态。

1.1 超声波信号驱动电路

由图2所示。通过控制单片机定时器，从定时器输出引脚输出40KHz、占空比50%的振荡信号，通过CD4069反相器进行调理，提高发射强度以使超声波传感器产生谐振。

1.2 超声波信号接收电路

超声波信号接收电路如图3所示。由于超声波接收器件接收反射回来的超声波信号非常微弱，并可能含有其它高频干扰信号，因此接收电路包含电压跟随器，有源带通滤波器，放大电路，双路比较整形电路。

1.2.1 电压跟随器

在超声波接收器件后端设计电压跟随器，可避免超声波接收器件直接与后级的滤波电路直接连接时，由于超声波接收器件的高阻输出而导致部分信号能量损耗在前级的输出电阻上，提高有源带通滤波器输入阻抗。

1.2.2 有源带通滤波器

由于超声波接收器件接收到的超声波反射信号非常微弱，并可能含用其它高频干扰信号，采用有源带通滤波器对前级输出的信号进行滤波并放大。

1.2.3 放大电路

采用两级反比例放大电路将有源带通滤波器输出的信号进行进一步的放大，放大倍数为10000倍。使得超声波信号有足够的电压幅度保证其能够通过后面的比较整形电路。

1.2.4 双路比较整形电路

比较整形电路将放大电路输出的信号处理成标准的方波信号，方便单片机处理。由于不同的反射距离经有源带通滤波器放大后得到的信号幅度不同，使用双路比较整形电路，为每一路各配置一套参数，单片机自动选择测量线路，实现只采用一对超声波接收器件就进行多量程测量，提高系统测量精度，节约成本。

1.3 CAN通信模块

单片机通过CAN通信接口采用双绞线作为传输线与CAN局域网及上位机相连，实现将停车场的各车位状态信息联网上报及对车位进行统一管理。

1.4 功能设定模块

功能设定模块通过单片机的串口连接到PC机，使用上位机软件设定超声波反射距离阈值（或时间阈值）及采集器CAN局域网时的通信地址等参数。

1.5 电源输入保护电路

考虑到在停车场进行工程安装时需安装的超声波车位信息采集器数量较多，难免会出现采集器接错线造成整条供电线路上的所有超声波车位信息采集器短路，甚至可能烧坏同一供电线路上的所有超声波车位信息采集器。因此，添加如图4所示电源输入保护电路。当电源正向输入时，场效应管导通，正常供电；当电源反向输入时，场效应管截止，后级负载不会被损坏；当电源正向输入电流过大时，保险管烧断，从而發挥保护作用。

2 软件设计

超声波探测子程序流程图如图5所示。单片机配置定时器1用来产生8个40KHz的方波信号；定时器2用来计时并设定超时时间为40ms。当CAN模块接上到上位机的探测指令则同时打开定时器1，2。其中定时器1产生完成8个脉冲后关闭。延时2ms后，单片机打开接收中断，等待接收超声波信号。如果在规定的超时时间内有信号成功返回，则定时器2记录当前时间，并根据公式计算出探测距离（探测距离=（超声波速度*定时器2时间）/2）。然后将探测距离值跟阈值比较得出车位状态，并通CAN模块上传给上位机。

3 实验结果

从表1中数据可以看出，以上论述的方法设计的超声波车位信息采集器能够准确的在5米范围内探测距离。经测试验证，该系统能够根据探测的距离值精确判断车位信息。

参考文献

[1]孙晓明.超声波车位信息采集器及超声波车位信息采集方法：中国，专利号[ZL 2012 1 0288225.2].2014年08月20日.

[2]孙晓明.超声波车位信息采集器：中国，专利号[ZL 2012 2 0401381.0].2013.

[3]（美）科特尔，（美）曼西尼主编，姚剑清译.运算放大器权威指南（第3版）[M].北京：人民邮电出版社，2010（10）.

[4]樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）[M].北京：国防工业出版社，2007（03）.

[5]黄智伟，李月华.嵌入式系统中的模拟电路设计（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2014（03）.

作者简介

孙晓明（1985-），毕业于桂林电子科技大学信息科技学院，获通信工程学士学位。现任广西南宁泰森电子科技有限公司总工程师，主要从事智能停车场系统的研究与设计工作，并获得多项目国家专利及多项软件著作权。

作者单位

广西南宁泰森电子科技有限公司 广西壮族自治区南宁市 530001