李 東，鄭建立

東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620

0 引言

2011年底我國(guó)汽車保有量破一億大關(guān)位于世界第二，然而，隨著保有量的激增由此而帶來(lái)了道路擁擠和交通事故頻發(fā)等問(wèn)題。在所有交通事故中，由泊車而引發(fā)的交通事故占有很大比例。因此，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法進(jìn)行超聲波測(cè)距，并運(yùn)用自動(dòng)增益放大電路提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

1 超聲波測(cè)距原理

渡越時(shí)間法(TOF)的工作原理：檢測(cè)從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出去的超聲波, 經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收探頭的時(shí)間, 這一段時(shí)間稱為渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與超聲波在氣體介質(zhì)中的聲速相乘, 就是聲波傳輸?shù)木嚯x。公式如下所示：

式中，s為待測(cè)距離,v超聲波在氣體介質(zhì)中傳播的聲速,t為渡越時(shí)間。

超聲波在空氣中傳播時(shí)很容易收到環(huán)境溫度的影響，超聲波速度與空氣溫度的關(guān)系為：

其中，v0為超聲波在0℃的空氣中的傳播速度331.45m/s,T為空氣的溫度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以STC12C5A60S2為核心控制芯片，系統(tǒng)主要包括超聲波測(cè)距模塊，溫度補(bǔ)償模塊，時(shí)鐘模塊，顯示模塊和語(yǔ)音報(bào)警模塊等。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2.1 超聲波測(cè)距模塊

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距模塊采用了自增益放大電路、渡越時(shí)間法檢測(cè)電路和峰值檢測(cè)電路?？勺?cè)鲆娣糯箅娐分饕脕?lái)調(diào)整回波信號(hào)的幅值；渡越時(shí)間法檢測(cè)電路主要用來(lái)判斷接收的信號(hào)是否為回波，若是回波，則請(qǐng)求單片機(jī)中斷，立刻停止時(shí)鐘模塊的計(jì)時(shí)工作，將所計(jì)時(shí)時(shí)間傳遞給單片機(jī)；峰值檢測(cè)電路主要用于消除干擾信號(hào)，檢測(cè)出回波信號(hào)的峰值傳遞給單片機(jī)。

超聲波測(cè)距模塊主要包括超聲波傳感器，超聲波發(fā)射接收電路、前置放大電路、可變?cè)鲆娣糯箅娐?、帶通濾波電路、峰值檢測(cè)電路、渡越時(shí)間法檢測(cè)電路。

2.1.1 超聲波發(fā)射接收電路

本系統(tǒng)超聲波傳感器選用收發(fā)一體式超聲波傳感器TCF40-25TR1，其中心頻率為40kHz。超聲波發(fā)射接收電路接收通過(guò)P1.0 輸出的，由STC12C5A60S2單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的TTL脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物反射的回波信號(hào)加載到超聲波傳感器上。

圖2 超聲波發(fā)射接收電路

2.1.2 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

由于超聲波在空氣中傳播時(shí)，超聲波的聲強(qiáng)隨著傳播距離的增加而呈減少，其減小系數(shù)與超聲波頻率的平方成正比。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯箅娐?，主要是使得放大器的增益隨距離的變化而自動(dòng)調(diào)整，使得回波信號(hào)的幅值不隨距離的變化而受到較大影響?？勺?cè)鲆娣糯箅娐稟GC如下圖所示。

圖3 可變?cè)鲆娣糯箅娐稟GC

這里采用一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管J1和J2可組成動(dòng)態(tài)范圍較大的增益，由外加電壓AGC控制的壓控放大器。而控制電壓AGC應(yīng)能隨目標(biāo)的遠(yuǎn)近自動(dòng)調(diào)整，即當(dāng)測(cè)量距離變小時(shí)，接收回波信號(hào)較大，這時(shí)，AGC應(yīng)自動(dòng)調(diào)小，反之，AGC應(yīng)自動(dòng)調(diào)大。圖4為電路設(shè)計(jì)可得到滿足這一要求的控制電壓。

圖4 控制電壓產(chǎn)生電路

2.1.3 峰值檢測(cè)電路

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)回波峰值檢測(cè)技術(shù)，主要是消除虛假回波和噪聲的干擾。因?yàn)楦蓴_信號(hào)有可能達(dá)到正?；夭ǖ挠蛑担浞颠_(dá)不到正?；夭ǖ姆逯?，因此采用回波峰值檢測(cè)電路可有效剔除干擾信號(hào)，提高超聲波測(cè)距模塊的檢測(cè)精度和可靠性。為了避免二極管死區(qū)電壓對(duì)超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)精度的影響，系統(tǒng)利用深度負(fù)反饋和運(yùn)算放大器開環(huán)增益大來(lái)有效限制。

圖5 峰值檢測(cè)電路

2.1.4 渡越時(shí)間法檢測(cè)電路

系統(tǒng)中的渡越時(shí)間法檢測(cè)電路采用可變域值檢測(cè)、回波峰值檢測(cè)、過(guò)零檢測(cè)等技術(shù)。這樣就可以檢測(cè)到準(zhǔn)確的檢測(cè)到回波信號(hào)，并發(fā)送命令使得時(shí)鐘模塊停止計(jì)時(shí)，保證了渡越時(shí)間的準(zhǔn)確和可靠性。

2.2 溫度補(bǔ)償模塊

由于空氣的溫度對(duì)超聲波的波速有一定影響，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償模塊對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)公式2得出當(dāng)前溫度下的超聲波波速。系統(tǒng)溫度補(bǔ)償模塊選用美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司的DS18B20溫度傳感器作為核心芯片，其集溫度測(cè)量、A/D 轉(zhuǎn)換于一體，具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍寬、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。該芯片具有獨(dú)特的單線接口，僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；可以通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0V～5.5V；測(cè)溫范圍為-55℃～125℃，分辨率最大可達(dá) 0.0625℃，基本可以滿足實(shí)際測(cè)量的需要。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三路超聲波測(cè)距模塊， STC12C5A60S2單片機(jī)的三個(gè)中斷口分別來(lái)處理回波信號(hào)。單片機(jī)將三路超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的距離值進(jìn)行比較后取最小值，并判斷該最小值來(lái)自哪路超聲波測(cè)距模塊，將距離、環(huán)境溫度、障礙物位置在顯示模塊上顯示出來(lái)，同時(shí)根據(jù)距離值進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 測(cè)量結(jié)果與分析

本系統(tǒng)測(cè)量的范圍為30cm～350cm，在30cm～200cm范圍內(nèi)，所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值以10cm為步長(zhǎng)遞增至200cm。在200cm～350cm范圍內(nèi)，所設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)值以20cm為步長(zhǎng)遞增至350cm。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該倒車?yán)走_(dá)對(duì)障礙物距離的測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，探測(cè)范圍能夠達(dá)到 在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)30cm～350cm，最大誤差小于3%。本系統(tǒng)設(shè)備成本低、精度高、實(shí)時(shí)性好、可靠性高，提高了汽車倒車時(shí)的安全性。

[1]趙海鳴，王紀(jì)嬋，劉軍，史春雪.一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的改進(jìn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007(4)：59-61.

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