基于超声波传感器的汽车倒车防撞报警器.doc

基于超声波传感器的汽车倒车防撞报警器 1.引言 由于社会的进步，经济的发展和生活水平的不断提高，汽车数量逐年增长，造成道路交通拥挤不堪，交通事故频繁发生。 汽车倒车报警器：在倒车时不断测量汽车尾部与其后面障碍物的距离，并随时显示其距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，以提高汽车倒车时的安全性的仪器。 本警器由单片机来控制。整个控制系统由超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路、复位电路、显示电路组成。实行实时数字显示测得的距离，在不同的距离范围内发出不同的报警信号，驾驶员可根据个人需要调整设置报警距离，以减少事故的发生。 2超声波传感器测距系统 2.1 超声波测距原理及系统原理框图 超声波是人耳听不到的一种声波，人耳的听音范围是2020000Hz，本设计采用的超声波是40000Hz。超声波的纵向分辨率较高，对色彩和光照度不敏感，对外界光线和电磁场不敏感，可以用于测量较近目标的距离。本设计采用的超声波传感器往返距离为5m，在有灰尘、烟雾、强磁场干扰、有毒等各种环境下都能稳定工作。 图 1 超声波传感器内部结构 本文采用的传感器模块是压电式超声波发射器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器。 图2 超声波传感器的等效电路 2.2 超声波传感器测距方法 超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离： d=s/2=(vt)/2 其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系： v=331.4+0.61T 式中，T为实际温度()，v的单位为m/s。 2.3 硬件电路设计 2.3.1 系统硬件各单元电路设计 2.3.1.1 发射电路 由于从单片发射头UC机里发出的40KHz脉冲信号的功率较低，不能直接驱动发射换能器，因而需要一个放大电路将脉冲信号放大后再送至发射换能器，驱动其发出与驱动信号同频率的超声波，所以发射电路的主要功能就是放大，发射电路下图。 图 3 发射电路图 图中，与非门74LS00和LM386组成超声波发射电路，用74LS00构成多谐振荡器，通过调节20k的电位器，可产生超声波发射的40kHz信号，其中U3A为驱动器，电路振荡频率f1/2.2RC，单片机的控制信号由U2A输入。为增大超声波的发射频率，本设计利用了单运放LM386，发射距离可达4m。 2.3.1.2 接收电路 超声波接收电路如图4示。接收头采用与发射头配对的超声波接收器R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。为了进行信号的整形，在设计中的CMOS电平的6非门芯片CD4069，可以减少电路的复杂程度，提高电路的带负载能力。整形后的信号由C1耦合给带有锁定环的音频译码集成块LM567的输入端3脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平跃变为低电平。 图4 接收电路图 2.3.1.3 温度补偿电路 根据上文中可知，温度对声速的影响较大，若不进行补偿，将会带来测量误差，为了提高系统的测量精度，设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS18B20来采集温度，DS18B20是美国DALLAS公司生产的1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。它的测量温度范围为-55+125，精度可达0.0675，最大转换时间为200ms。 数字式温度传感器和模拟温度传感器最大的区别是：将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲时隙；写“0”、读“1”时隙，读“0”、读“1”时隙。初始化后，传感器输出两个字节的温度，进行数据处理后得到实际温度的值，计算补偿声速。 2.3.1.4 液晶显示电路 字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型显示模块，分4位和8位数据传输方式。它提供57点阵+光标和510点阵+光标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM，可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个58点阵的图形字符的字模数据。 丰富的指令设置：清显示，光标回原点，显示开/关，光标开/关，显示字符闪烁，光标移位，显示移位等。提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。OCM2X16显示两行字符，每行可以显示16个字符。本设计采用OCM2X16，显示两行字符，一行显示当前的环境温度，一行显示所测距离。 2.3.2 加强系统稳定性的措施 2.3.2.1 微处理器控制单元 单片机控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。对单片机编程，可对测得数据优化处理使测量误差降到最低限度。单片机还控制显示电路，通过串行口的控制脉冲输出串行数据送数字显示电路。计数方式有两种方法：在单片机发触发脉冲的同时开启T1，收到回波立即关闭T1，这时T1的值为超声波走过的时间。把两个上升沿处理为一个脉冲，此脉冲的宽度即是理论上与上述相等。 2.3.2.2 扩大测距范围 由于空气对超声波的吸收与超声波频率成正比，因此用来测距的超声波的频率不能很高。另一方面，频率越低，波长越长，测量的绝对误差就越大。所以，40KHz的超声波单频测距的范围只有5到6米，无法满足我们的要求。为了解决测量范围和测量精度之间的矛盾，我们采用双频测距的方法。其测距原理是：控制器现发出一串频率为fH的超声波，串长度可以有10到16个完整的波形，接着送出4到8fL低频率的超声波。这种在时域上连续的两种频率的超声波被前方的目标反射后，形成回波，回波经由接收器形成回波脉冲。由于高频声波先发出，对于同一个目标，其回波先到达单片机，因此，对于较近的目标，首先用高频超声波探测。当目标较远时，高频超声波被空气吸收而大幅衰减，接收器接收到的回波中只有低频超声波，从而可以达到提高测距范围的目的。 2.3.2.3 抗干扰措施 输入和输出通道采用光耦隔离干扰信号。采用了合理的接地措施，以防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。采用了输入和输出驱动法和降低输入阻抗法，以削弱或抑制反射波的干扰。在硬件电路中，采用了滤波电路和退耦电路，以削弱或抑制瞬变噪声的干扰。利用了TL7705构成电源监视电路，使单片机系统在掉电时能自动保护现场数据。在设计和制作电路板时，采取了相应的抗干扰措施。由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取了使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱等。采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的干扰信号。输入信号的干扰是叠加在有效电平信号上的一系列离散尖脉冲，作用时间很短，当控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以有效抑制时，采用了输入口信号重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的。采用了输出口数据刷新方法。在本报警器的硬件电路中，使用了8155芯片，工作模式或控制字可能因噪声干扰等原因受到破坏，使系统输入和输出状态发生混乱，在设计中，对有关功能重新设定一次，确保接口的可靠工作。 2.3.2.4 窜绕问题的解决 在测距系统中，一般发射换能器和接收换能器的距离非常接近，可能会有一部分超声波信号没有经过被测物体的反射而直接传到接收换能器中，这种窜绕问题给整个系统带来非常大的误差，其次，现场很多的杂波信号也会被接收换能器接收而使系统误动作。本系统接人一个具有门限作用的单限电压比较器，通过设置它的阀值电压，使高于该电压的信号被转换为高电平，否则被转换为低电平输出，这样就可以达到限幅输出的目的，从而将窜绕信号除掉。 2.4 软件电路设计 2.4.1测距系统整体流程 单片机通电正常工作后，按照下图顺序依次执行，最终完成工作要求。 图5 流程图 3. 系统调试 把程序下载到单片机中，进行联机调试，逐个检查各个按键的功能是否实现，反复实验观察，完善功能直到满足系统要求为止。 3.1 软件调试 首先是通过软件仿真，先进行单个程序仿真，然后再进行整体程序仿真，不断修改，逐步完善其功能。在这步完成后应该确定其I/O口的分配，时钟的选择和各输入信号的逻辑性及给出系统所需的信号。调试的时候一定要细心，有耐心，踏踏实实的一步一步调，不可急，否则程序会一塌糊涂。 3.2 硬件调试 由图6所示的超声波测距整体系统组成框图按信号的流向分级安装，逐级级联，这里的每一级是指组成超声波测距系统的各功能电路。 图 6 系统硬件图 4. 结束语 在环境温度为20+50的范围内，测量误差为几个厘米，这个误差能满足正常倒车的需要。因为本设计所采用的超声波传感器的辐射范围是60度，所以安装时，需在车尾装3至4个超声波传感器，这样才能覆盖整个范围。随着科技的发展，超声波传感器的研究也的到更加的深入和广泛，超声波传感器的生产工艺水平也随之提高，超声波传感器日益小型化、集成度不断提高，测量精度也不断提高，所以超声波传感器将更广泛地