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    超聲波傳感器在倒車雷達中應用

    2014-10-21 09:44:34

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    詳細介紹

    超聲波傳感器在倒車雷達中應用

      倒車雷達只需要在汽車倒車時工作,為駕駛員提供汽車后方的信息。由于倒車時汽車的行駛速度較慢,和聲速相比可以認為汽車是靜止的,因此在系統中可以忽略多普勒效應的影響。在許多測距方法中,脈沖 測距 法只需要測量超聲波在測量點與目標間的往返時間,實現簡單,因此本系統采用了這種方法。

      如圖 1 所示,駕駛員將手柄轉到倒車檔后,倒車雷達自動啟動, 倒車雷達探頭 向后發射 40kHz 的超聲波信號,經障礙物反射,由 倒車雷達探頭 收集,進行放大和比較,單片機將此信號送入顯示模塊,同時觸發語音電路,發出同步語音提示,當與障礙物距離小于 1m 、 0.5m 、 0.25m 時,發出不同的報警聲,提醒駕駛員停車。

           

     


     圖 1 倒車雷達工作原理圖

     

     


                    

     圖 2 倒車雷達探頭電路

     

      一,相關的硬件設計

    1 倒車雷達探頭設計

      倒車雷達探頭包括超聲波產生電路和超聲波發射控制電路兩個部分,超聲波探頭(又稱“超聲波傳感器”)選用 KT40-1602 ,可采用軟件發生法和硬件發生法產生超聲波。前者利用軟件產生 40kHz 的超聲波信號,通過輸出引腳輸入至驅動器,經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件,靈活性好,但需要設計一個驅動電流在 100mA 以上的驅動電路。第二種方法是利用超聲波專用發生電路或通用發生電路產生超聲波信號,并直接驅動 倒車雷達探頭 產生超聲波。這種方法的優點是無須驅動電路,但缺乏靈活性。

      本設計采用第一種方法產生超聲波,電路設計如圖 2 所示。 40kHz 的超聲波是利用 555 時基電路振蕩產生的。其振蕩頻率計算式為 f=1.43/((R 9+2 · R 10) · C 5) 。將 R 10 設計為可調電阻的目的是為了調節信號頻率,使之與 超聲波探頭 的 40kHz 固有頻率一致。為保證 555 時基具有足夠的驅動能力,宜采用 +12V 電源。 CNT 為超聲波發射控制信號,由單片機進行控制。

     



     圖 3 倒車雷達探頭電路

    倒車雷達探頭 包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發射探頭對應的型號,關鍵是頻率要一致,本設計采用 CSB40R ,否則將因無法產生共振而影響接收效果,甚至無法接收。由于經 探頭 變換后的正弦波電信號非常弱,因此必須經放大電路放大。正弦波信號不能直接被單片機接收,必須進行波形變換。按照上面所討論的原理,單片機需要的只是第一個回波的時刻。接收電路的設計可采用專用接收電路,也可采用通用電路來實現,如圖 3 所示。

      超聲波在空氣中傳播時,其能量的衰減與距離成正比,即距離越近信號越強,距離越遠信號越弱,通常在 1mV ~ 1V 之間。當然,不同接收探頭的輸出信號強度存在差異。由于輸入信號的范圍較大,對放大電路的增益提出了兩個要求:一是放大增益要大,以適應小信號時的需要;二是放大增益要能變化,以適應信號變化范圍大的需要。另外,由于輸入信號為正弦波,因此必須將放大電路設計成交流放大電路。為減少負電源的使用,放大電路采用單電源供電,信號放大和變換采用了一片 LM324 通用運算放大器,前三級為放大器設計,后一級為比較器設計。 LM324 既可以雙電源工作,也可以單電源工作,因此能滿足使用要求。為滿足交流信號的需要,每一級的放大器均采用阻容電路進行電平偏移,即圖 3 中的 C7 、 C21 、 C22 和 C24 ,容量均為 10 μ F ,實現單電源條件下交流信號的放大。對于交流信號而言,電容為短路,因此前三級放大電路的增益均為 10 。距離較近時,兩級放大的增益已能夠輸出足夠強度的信號了,第三級有可能出現信號飽和,但距離較遠時,必須采用三級放大。合理調節電位器 R27 ,選擇比較基準電壓,可使測量更加準確和穩定。

     

                         

     

     圖 4 語音電路

    2 語音電路設計

      語音報警是指當 倒車雷達探測 到的距離小于所設定的安全值時,發出聲音提醒駕駛員,語音電路設計如圖 4 所示。 M3720 是單聲一閃燈報警音效集成電路,芯片內存儲一種報警音效,可直接驅動蜂鳴器發聲或經外接功放三極管推動揚聲器放音,同時還能驅動一只 LED 閃爍。該芯片各引腳功能為: 5 腳 VDD ; 1 腳 VSS 分別為電源輸入端與負端, VDD 電壓 3 ~ 3.5V ; 8 腳 X 和 1 腳 Y 分別為芯片外接振蕩電阻器; 6 腳 TG 為觸發控制端,低電平觸發有效; 3 腳 BZ 和 2 腳 BB 分別為報警音效輸出端,可直接外接壓電陶瓷蜂鳴器,如果驅動揚聲器則由 3 腳 BZ 端引出; 4 腳 L 為閃燈輸出端,可直接驅動 LED 發光。

    二,相關單片機軟件設計

      單片機及其開發應用系統具有語言簡潔、可移植性好、表達能力強、可進行結構化設計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質量高、使用方便等諸多優點。該系統的主程序處于鍵控循環工作方式,當手柄轉入倒車檔,主程序開始調用測量子程序、顯示子程序和語音提示子程序,完成整個檢測提示過程。

    結束語

      倒車雷達測距是保障汽車倒車安全的輔助系統,通過 倒車雷達探頭 發出超聲波,使用高速單片機計算距離,并加入了溫度補償電路,提高了距離計算的精度。系統安裝的液晶顯示器可以直觀的顯示溫度和距離,給駕駛員提供了方便。倒車時當汽車與障礙物的距離小于我們所設定的安全距離時,便通過語音集成電路發出報警,提醒駕駛員,防止汽車的碰撞或擦傷,具有很強的實用性。

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