基于超声波测距倒车雷达系统设计说明

1、 1 / 26基于超声波测距倒车雷达系统设计基于超声波测距倒车雷达系统设计 1 引言 近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒

2、车雷达系统。 2 整体设计与原理超声波一般指频率在 20 kHz 以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目前，国外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为 45 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。该倒车雷达系统采用单片机控制，如图

3、1 所示。利用超声波实现无接触测距，并考虑测量环境温度对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数字传感器 DS18B20 构成的温度测量电路，可直接读取温度值，再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速，由单片机计数脉冲个数获得传播时间，根据超声波测距原理测得并显示距离，再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。2.1 超声波测距原理目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的精度高，但检测围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介

4、质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间 t。距离 s=ct2(c 为声速)，t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。基于超声波测距的倒车雷达系统设计1 引言 近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的 2 / 26地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统计，15的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速

5、、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。 2 整体设计与原理 超声波一般指频率在 20 khz 以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。目前，国外一般的超声波测距仪，其理想的测量

6、距离为 45 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。 该倒车雷达系统采用单片机控制，如图 1 所示。利用超声波实现无接触测距，并考虑测量环境温度对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。使用由集成数字传感器 ds18b20 构成的温度测量电路，可直接读取温度值，再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速，由单片机计数脉冲个数获得传播时间，根据超声波测距原理测得并显示距离，再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。 2.1 超声波测距原理 目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的精度高，但检测围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时

7、间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间 t。距离 s=ct2(c 为声速)，t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。 2.2 温度与声速的关系 由于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度 t 有关。表 1 列出了几种不同温度下的声速。使用时，若温度变化不大，则可视声速基本不变；若测距精度要求很高，则应通过温度补偿法予以校正。 一般情况下，利用 v=331+0.60t 进行温度补偿，以适应不同温度下的工作要求。表 2 给出补偿后声速与温度的关系。可以看出，0以下时声速值完全吻合；0以上最大误

8、差不超过 5。 由上述分析可知，温度测量的精度不仅直接影响了速度的测量精度，而且也间接影响距离的测量精度，所以温度的测量很关键。 3 硬件电路设计 倒车雷达系统主要由超声波发射电路、超声波接收电路、温度测量电路与显示报警电路构成。 3.1 超声波发射电路 在单片机控制下，使脉冲发生器输出超声波。脉冲发生器由 555 构成，其连接如图 2 所示。7 引脚和6、2 引脚的上下为 r 和 c；中间 r 与 rp 并联，ra=rl+ra，ra=r2+rb，且 t1=0.693rac，t2=0.693rbc，通过调节 ra 和 rb 的阻值，实现输出波形的占空比的可调。但是，这里需要 50占空比的方波，

9、因此调节滑动变阻器，使 t1=t2，频率的计算公式为： f=1.443(ra+rb)c (1) 合理选择 r，c 可使超声波获得 40 khz 的输出脉冲。因为超声波的传输要有一段距离，为了使信号便于传输，通常要在发射电路的后面加上一个调制电路。 3.2 超声波接收电路 因为超声波测距只用于近距离，当距离较远时，衰减较为严重，反射回来的信号相对也比较微弱，因此接收端应先设置一个放大电路，然后通过检波电路对其输出信号进行解调，最后对检波输出信号进 3 / 26行比较整形。超声波接收电路的需要考虑以下几个方面： (1)环境噪声、干扰、温度等影响 图 3 给出放大电路图。它选择一个自举组合电路，该电

10、路通过减小向输入回路索取的电流来提高输入阻抗，其值为 rin=r1r2(r1-r2)，该值可根据前序电路确定 r1 和 r2，使其与前序电路级间匹配。电路中用到的是反相比例放大电路，增益比较稳定，通常 k=-r3r1 不会引起自激，可降低干扰对电路的影响。因此，合理地选择 r3 和 r1，可使输出电压达到 v 级。 (2)检波精度 设计中采用了图 4 所示的全波精密检波电路。为了提高电路的信噪比，衰减掉不需要的频率信号，在输人端加上谐振回路。二极管 vd1 和 vd2 选择高频性能比较好的 in60。这种检波方式可以使二极管的死区电压和非线性得到很大的改善。 (3)比较整形电路 图 5 示出比

11、较整形电路。首先在静态下测量距离等于 5 m，检波器的输出电压值(该电压同样是经过放大检波电路得到的)，并以此电压值作为比较器的参考电压 ur。比较器选用 lm339，具有失调电压小，电源电压围宽，其单电源电压为 236 v，双电源电压为118 v，而且对比较信号源的阻限制较宽等优点。对于 lm339 来说，当两个输入端电压差大于 10 mv 时，就能确保其输出从一种状态可靠地转换到另一种状态。因此，把 lm339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。一般情况下，比较电路的输出波形的上升沿和下降沿都有延时，可在其后面加一个与门，以改善输出特性。将比较整形电骼的输出送到单片机，对脉冲计数，得到渡越

12、时间。单片机选用 at89c52。 3.3 温度测量电路 目前，大多数温度测控系统在检测温度时，都采用温度传感器将温度转化为电量，经信号放大电路放大到适当的围，再由 ad 转换器转换成数字量来完成。这种电路结构复杂，调试繁杂，精度易受元器件参数的影响。为此，利用一线性数字温度计即集成温度传感器 ds18b20 和单片机，构成一个高精度的数字温度检测系统。ds18b20 数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直接读出被测温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现 912 位的 ad 转换。因而，使用 ds18b20 可使系统结构更简单，同时可靠性更高。温度测量围从-55+12

13、5，在-10+85检测误差不超过 0.5，而在整个温度测量围具有2的测量精度，其电路连接如图 6 所示。 3.4 显示与报警电路 显示电路采用 4 位共阳 led 数码管，码段由 74ls244 驱动电路驱动；驱动电路由 pnp 晶体管 8550 驱动。图 7 给出报警电路。它采用晶体管驱动。 4 结语 该倒车雷达系统利用超声波实现了无接触测距；采用高精度温度传感器实现了对超声波测距系统的温度测量和补偿，即根据 v=331+0.60t，对声速进行了补偿，提高了测量精度。具有电路设计简单，价格便宜，测量精度比较高的优点，目前已批量生产。 军械工程学院 王红云 4 / 26基于超声波时差测距法的倒

14、车雷达设计2007-09-14 嵌入式在线 收藏 | 打印 引言 倒车雷达是用来探测车身周围的障碍物并显示其距离，以帮助驾驶员安全倒车或泊车的辅助电子设施1，在中高档汽车上的应用已逐渐普与，但多为无源探头倒车雷达。 目前高性能的倒车雷达大都采用有源探头，接收的回波信号在探头部放大整理后输出，发射信号也在探头部耦合驱动传感器，其抗干扰性更强，探头的互换性、一致性也更高。本文给出一种有源倒车雷达设计方案，使用超声波传感器，利用时差法来确定传感器和反射物之间的距离，在驾驶员选择倒车挡时，向驾驶员提供监视围是否存在障碍物的指示。 设计要求 倒车雷达常用的超声波传感器直径为 14 毫米，工作频率 40K

15、Hz，驱动电压最高为 140Vp-p，其他的参数，如声压、阻抗、余震时间等参数请参看所用产品的说明书。根据 ISO17386 标准，主要的设计要求有： （1）额定电压-DC 12 V，工作电流-500mA MAX. 工作温度-30+80 。 （2）测量围：最大有效测量距离 140 厘米，最小测量距离 40 厘米。 （3）测量原理：采用飞行时间测量原理。激活的探头将创建超声波区域，在接收到探测区域对象所反射的能量后，测量出车辆与该对象之间的距离。 （4）距离显示：通过段式液晶屏显示测量距离。在 MCU 处理以后，距离数值应传送到显示屏进行显示并打开相应的声音报警。如果超过测量围，显示继续，声音报

16、警关闭。一旦进入有效围，则自动打开声音报警功能。 （5）警告级别：使用三级警告级别，通过缓急不同的报警信号进行表示。 （6）上电以后，系统进行自测，工作过程中不会进行故障自测。如果没有探头故障，则自测时间不超过 100 毫秒。为保证实时性，探测到障碍物到传送显示数值的时间不应超过 600 毫秒。 （7）系统启动后进行自测，检查传感器是否故障。 （8）打到倒车档时，如果倒车速度不大于 0.5 米/秒，系统将从静止模式转变为启动模式，对周围的障碍物进行测量。同时有手动开启开关，驾驶员可以使用开关打开和关闭此系统。 功能框图 系统包括 4 个超声探头、1 个主机和 1 个报警显示装置。为了提高性能，

17、采用有源探头。接收的信号在探头部进行放大后输出；同样，发射信号也在探头耦合以驱动传感器。 5 / 26 作为典型的传感器处理应用设计，本电路的设计难点还是围绕在传感器部分：一是接收信号的放大；二是发射电路的驱动匹配。 硬件电路设计 接收放大电路 在接收到反射的超声波后，传感器会产生压电共振，输出振幅微小的正弦波。超声传感器能对只有-70 分贝的回波产生感应，声压是如此之小，所以感应产生的电压也只有微伏级，一般的测量工具是看不出来的。这么小的电压信号，如果要服务于后续电路，必须要进行放大。本电路使用了三级放大，前两级为普通反相放大电路，第三级为带通放大电路，理论放大倍数约为 2030 万倍。前两

18、级的放大电路如图 2 所示： 运算放大器采用美国国家半导体公司的 TL074，这是一种很常见的运放，使用比较简单。为JFET 输入，阻抗极高，不必考虑输入端的阻抗平衡。另外它的噪声较小，工作带宽较大2。电路采用单电源供电，第一级前的输入电阻图中未画出，在后面的接口电路中可以找到。Ca1 跨接到运放的 1、2 脚两端，可以部分地滤除高频信号，放大倍数的大小可以由 Rb 动态调节。 信号在经过以上两级放大后，在示波器上已经可以隐约地看出接收的波形。但还是太小，后续电路不能使用，必须再次放大。但此时，输入干扰信号也已经被放大了很多，加上运放的噪声，如果第三级运放不能有效地滤除它们的话，放大后的信号效

19、果会非常差，几乎不能使用。为此，第三级运放采用了带通放大电路，如图 3 所示。 第三级是典型的多反馈带通放大电路。它的 Q 值、放大倍数 A 和中心频率 f 均可调。中心频率可以通过调节 Rc 进行调整，而且 Rc 的变化不会影响到 Q 值和带宽3。将中心频率设定为 40kHz，可以有效地滤除大部分干扰波形，输出清晰的回波放大信号。从示波器上观察，其背景噪声信号应该不超过200mV。 经过三级放大后的回波信号，根据距离的不同幅值也相应变化。如果想通过级联第四级运来增加测量距离的想法是不太现实的，因为级数太多，运放很容易处于自激状态而变成一个振荡电路。不可限制地增大其中某一级的放大倍数也是不可取

20、的，在增益带宽积限定的情况下，必须折衷取舍增益和带宽的大小。况且放大倍数太大，失调电压和噪声、温漂等都将变得不可控，严重影响电路的正常工作。如果想使运放较为理想的工作，采用负反馈放大的时候，其放大倍数尽量不要太大。 整形电路 放大后回波信号幅值不定，要被单片机读取使用，需要通过比较器整形为数字信号。如果单片机本身带有比较器功能，信号可以直接接入，如果没有这项功能，则必须外接模拟比较器。由于PIC18F2480 本身不带有比较器，本设计选用了 LM2903 对放大信号进行整形。 模拟整形电路的主要工作是将幅值不定的一簇正弦波整理为一个有明确上升沿的脉冲信号，以供单片机中断使用。利用 LM2903

21、 的整形电路如图 4 所示： 6 / 26 上面的电路可以很好地完成对回波整形加工的任务，并使整个电路的抗干扰性大大增强。通过RX_CON 的开关，可以很容易地控制回波信号的进入。这对收发同体的超声传感电路来说是十分必要的，它可以有效地滤除发射信号和余振信号对整体电路的干扰。通过调整 RL3 的大小，可以隔离那些不能被滤除的背景噪声信号。第一级比较之后的输出信号还是一簇 40kHz、幅值较小的脉冲波，它们通过二极管对 CL2 进行充电，利用 CL2 电平引发第二级比较器输出一个数字脉冲信号。上面电路的另一个优点是，如果进入比较器的是间或的一两个干扰脉冲，如果它没有充足的电量使 CL2 的电压升

22、高到足够值，第二级比较电路便不会有输出，在硬件上提高了抗干扰能力。 通道选择电路 因为系统使用了四路探头，所以无论接收或发射，都将有 4 路信号进出。为了将它们分开，本电路选用了通道开关芯片 CD4051。接收部分的电路如图 5 所示。 发射驱动电路 发射驱动电路的主要功能是产生足够的功率来利用 40kHz 的脉冲波驱动超声传感器发射超声信号。如果想要测量的距离足够远，除了探头的性能外，发射功率是否足够至关重要。本电路中采用中周变压器耦合放大来驱动超声传感器，设计电路如图 6 所示。 其中，Q1 和 Q2 组成达林顿管用来为中周变压器提供驱动电流，通过 TX 进行控制。CT1 在发射时为中周的

23、初级线圈提供所需的瞬间大电流。在发射的时候，中周变压器的次级线圈提供的电压峰峰值可以达到 100V 以上。因为超声传感器是收发同体的，所以在发射的时候，发射信号也会毫无阻碍地到达第一级运放进行放大。为了保护运放，有必要设置过渡电路。过渡电路的主要功能是在发射时，限制运放端的信号幅值在安全围以，同时又不能影响接收信号的传输。通过 D11 和 D12，可以将运放端的信号控制在 700mV 左右。 在加上电源处理、温度检测电路和显示报警电路后，倒车雷达硬件电路设计基本完成了。要强调的是，模拟部分的电源一定要足够平滑稳定，以免影响电路正常工作。 软件设计 倒车雷达的功能较为单一，任务不多，所以使用前后

24、台工作方式，主程序流程如图 7 所示。 系统初始化过程中要仔细设置 PIC18F2480 I/O 口的输入输出控制位，以与 A 口的模数复用脚控制位，否则不能精确工作。在功能实现方面，要注意的主要问题有： （1）发射后，超声传感器会有 2mS 左右的余震时间，这段时间要关闭接收。 （2）如果 4 个探头同时工作，要选择测量距离最短的数值进行显示。 在技术实现上，充分利用了 T0 和 T1 两个定时器。T0 设置为 16 位定时方式，以它的溢出为标志开始一个发射测量循环。T1 定时器用于确定发射和接收之间的时间差，如果 T1 溢出，则表示没有检测到障碍物，置相应标志位。如果车后有障碍物，则接收到

25、的信号会引发 INT0 中断。INT0 中断会停止 T1 计时，并置位标志位。发射时的驱动脉冲通过单片机引脚输出产生，为了防止干扰，使发射频率准确无误， 7 / 26发射时应关闭中断。也可以使用硬件产生发射脉冲。 如果需要利用 PIC 单片机的 CAN 通讯功能，将倒车雷达连入车身 CAN 网络中，硬件上只需要联入CAN 收发器，软件上则需要补充大量的设计工作。为了使软件的工作流程更加直观清晰，下面以时间轴方式列出在 Debugger 模式下各函数运行情况。这里使用了 8M 的晶振，T0 设为 16 位定时方式，4 分频，初值为 0，用于控制工作循环；T1 设为 16 位定时方式，未分频，初值

26、为 0 x60，用于定时测量时间。 图 8 是测试程序在 Debugger 模式下各任务占用时间的明细，目的是直观地了解在哪一个阶段时间比较宽裕，可以安排别的工作，比如通讯（这里假设通讯是异步的，位于从属地位；如果通讯是周期性的，周期时间又比较短的话，就应该充分考虑各任务的优先级并合理安排时间） 。 由于前后台编程模式的局限性，每个任务发生的时刻并不能严格确定，这里只大约计算到了毫秒。其中-10 到 0 的区间是初始化时间（这是没有故障的正常初始化时间，如果有探头故障，因为要提供声音提示，所以占用的时间将根据故障探头的数目多少达到几秒或是十几秒） ，0 到 131mS 的区间是循环程序时间。在

27、每个循环的开始，都要发射一组脉冲，并在循环时间结束测量。发射时间约为 100S，这期间各中断是关闭的；接下来的 2mS 是余震时间，外部中断要关闭，别的中断，如有需要，可以开启。2mS 以后开启接收中断，根据障碍物距离的远近，接收占用的时间也不同，如果没有障碍物反射回波引发中断，那么 T1 最终会溢出，耗时约为 20mS。如果接收到了回波并引发中断的话，中断程序将会停止 T1 计时并读取数值，同时置位接收标志位。主循环检测到接收有效位后，会调用距离计算函数计算出距离并保存到数组。最后的距离显示并不是每个循环都有的，而是 4 个循环发生一次（这里是假设 4 个探头均工作在自发自收状态，如果需要使

28、探头相互收发进行交叉测量，那么循环数根据实际次数重新确定） 。 测试 设计完成的电路系统可以很好地完成所要求的测距功能，加上液晶显示和蜂鸣报警后，便可以作为后装产品安装到汽车上。如果再加上 CAN 驱动器芯片，并设计好通讯部分的软件协议，也可以作为一个节点联入车身 CAN 网络中。 图 9 是利用一个探头工作在自发自收时的测距情形，障碍物为距离 150cm 左右的 A4 纸。示波器通道 1 用于测量运放输出的波形，电压比例常数为 2V；通道 2 测量单片机的 INT 引脚，电压比例常数为5V；时基为 2mS。 不足 由图 9 可以看出，传感器发射时的余震信号超过了 2mS，这样在自收发测距的情

29、况下，最小的测距围限制在了 40cm 左右（小于 40cm 的距离测量可以通过发射和接收使用不同探头的方法来进行，通过三角换算得出距离，以减小余震的影响，只是精度会差一些） 。这是由于中周性能不良造成的，有待于进一步完善。另外，一些超声波探测的传统处理难点仍不尽如人意，如扫地波的滤除仍然要部分地借助外壳或安装；斜坡或石子路面的回波干扰问题仍难以辨别等等。 单片机设计超声波测距仪原理与应用单片机设计超声波测距仪原理与应用 8 / 261 51 系列单片机的功能特点 5l 系列单片机中典型芯片(女1AT89C51)采用 40 引脚双列直插封装(DIP)形式，部由 CPU，4kB 的 ROM，256

30、 B的 RAM，2 个 16b 的定时计数器 TO 和 T1，4 个 8 b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片的 Flash 可编程、可擦除只读存储器 (EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电与特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图 1 所示。 5l 系列单片机提供以下功能：4 kB 存储器；256 BRAM；32 条工O 线；2 个 16b 定时计数器；5 个 2 级中断源；1 个全双向的串行口以与时钟电路。空闲方式：CPU 停止工作，而让 RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉

31、电方式：保存 RAM 的容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l 系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。2 单片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 tr，然后求出距离 SCt2，式中的 C 为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以与接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能 力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖围、减

32、小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波 围，其波速 C 与温度有关，表 1。列出了几种不同温度下的波速。 9 / 26 在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速 C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间 r，即可求得距离 5。其系统原理框图如图 2 所示。单片机(AT89C51)发出短暂的 40kHz 信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定， 产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间 t，再由

33、系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至 LED 显示电路进行显示，若测得的距离超出设定 围系统将提示声音报警电路报警。AT89C51 通过外部引脚 P20 输出脉冲宽度为 25us、载波为 40kHz 的超声波脉冲串，加到射随器的基级，经功率放大推动超声波发射器发射出 去。超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。经处理后输出低电平，送到 AT89C51 的引脚利用该原理设计的实 例：汽车防撞雷达31 系统硬件设计汽车防撞雷达可以帮助驾驶员与时了解车周围阻碍情况，防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。其接收部分硬件电路如图 3 所示，发射、预置

34、控制、显示部分硬件电路如图 4 所示。 10 / 26sP32，提供给软件进行处理。经过 AT89C51 对接收到的信息进行处理后，被测的距离茬 LED 上显示，显示的数据由串口线 RXD 和 TXD 输出到 74LSl64，转化为并行数据控制 LED 的显示，采用动态显示。两位 LED 可表示4901 m 的距离，满足显示精度；若该距离小于预置的汽车低速安全刹车围(如：1 n)或 05m)，报警电路发出适当的警告提示音，由 P21 的输出控制报警电路的工作。32 系统软件设计汽车防撞雷达根据超声测距原理用 AT89C51 单片机开发设计。整个软件采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程

35、序、接收子程序、显示子程序等模块组成。软件设计的主要思路是将预置、发射、接收、显示、声音报警等功能编成独立的模块，在主程序中采用键控循环的方式，当按下控制键后，在一定周期，依次执行 各个模块，调用预置子程序、发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量的结果进行分析处理，根据处理结果决定显示程序的容以与是否调用声音报警 程序。当测得距离小于预置距离时，声音报警程序被调用。图 5 所示为程序的流程图。 11 / 264 结 语利用 51 系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明，该类测距仪工作稳定，能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比。由 于该系统中锁相环锁

36、定需要一定时间，测得的距离有误差，在汽车雷达应用中此误差为 3C111 可忽略不计；但在精度要求较高的工业领域如机器人自动测距等方 面，此误差不能忽略，只有通过改变-些硬件的应用实现对超声波的快速锁定，使误差进一步减小到031llnl，可以满足更高要求。超声波测距电路设计超声波测距电路设计一、引言一、引言由 于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检 测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动

37、机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其与时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。 12 / 26 二、二、 超声波测距原理超声波测距原理1、 超声波发生器为 了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生 超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不一样，因而用 途也各不一样。目前较为常用的

38、是压电式超声波发生器。2、压电式超声波发生器原理 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。超声波发生器部结构如图 1 所 示，它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了。图 1 超声波传感器结构3、超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

39、超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 这就是所谓的时间差测距法。 三、超声波测距系统的电路设计三、超声波测距系统的电路设计本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片有 4K 的 ROM，便于编程。电路原理图如图 2 所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路一样，故省略之。1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用 UCM40 的压电瓷传感器，它的工作电压是 40kHz 的脉冲信号，

40、这由单片机执行下面程序来产生。PUZEL： MOV 14H, #12H；超声波发射持续 200s 13 / 26HERE： CPL P1.0 ；输出 40kHz方波 NOP ； NOP ； NOP ； DJNZ 14H，HERE； RET前方测距电路的输入端接单片机 P1.0 端口，单片机执行上面的程序后，在 P1.0 端口输出一个 40kHz的脉冲信号，经过三极管 T 放大，驱动超声波发射头 UCM40T，发出 40kHz 的脉冲超声波，且持续发射200s。右侧和左侧测距电路的输入端分别接 P1.1 和 P1.2 端口，工作原理与前方测距电路一样。2、超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对

41、的 UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器 IC1A和 IC1B两极放大后加至 IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块 LM567，部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节 R8在发射的载频上，则 LM567 输入信号大于 25mV，输出端 8 脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。 前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 IC3A的输出接单片机 INT1 端口，同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先

42、级为先右后左。部分源程序如下： 14 / 26超声测距数据的采集与处理超声测距数据的采集与处理摘要：摘要：介绍一种基于单片机控制的三种超声测距系统的构成、工作原理和误差分析。利用本系统与其设计方法可以作为农业机器人辅助视觉系统。 关键词：关键词：机器人 超声波测距 单片机 串行通讯 数据采集机 器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广泛的应用前景。其关键技术取决于机器人视觉系统设计的精确与否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现等 优点，被广泛用作测距传感器，实现定位与环境建模。越声波测距作为辅助视觉系统与其他视觉系统（如 CCD 图象传感器）配合使用，可实现整个视觉功能 7。超 声测距

43、原理很简单，一般采用渡越时间法：即 D=CT/2，其中 D 为机器人与视测物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度（C=331.4 乘以根呈号 (1+t/273)m/s，t 为摄氏温度），T 为超声发射到返回的时间间隔。本超声测距系统共有 3 对超声换能器，分别放在智能移动车的上、中、下三个位置 上。本系统采用一片 89C51 单片机对三路超声信号进行循环采集，并将数据送到数据缓冲区存储1,2。上位机采用 PC-586。当上位机需要数据时， 向下位机发出申请，下位机通过中断的方式向上位机发送数据。上位机与下位机通过 RS-232 串行口相连。1 1 系统硬件设计系统硬件设计 15 / 26为

44、了能在测量距离的同时判断出物体的大致形状，应设计成多传感器测距系统。经分析可知，频率为 40kHz 左右的超声波在空气中传播的效率最佳；同时，为了方 便处理，发射的超声滤被调制成 40kHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。该测距系统结构框图如图 1 所示。由图可见，测距系统由超声波发送、接收、时 间计测、微机控制和温度测量五个部分组成。1.1 超声波发送这部分包括超声波信号的产生、多路选择与换能器等环节。超声波发送脉冲如图 2 所示。40kHz 的超声波发送脉冲信号由单片机 89C51 的 P1.0 口送出，其脉冲宽度与脉冲间隔均由软件控制。脉冲宽度约为 125s200s， 即在一个调制脉

45、冲包 58 个 40kHz 的方波。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离与测量通道数。本系统有三路测距通道，采用分时工作，按上、中、下 的顺序循环测距。若在有效测距围有被测物的话，则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发同的反射波，否则认为前一路无被测物。因此按有效测距 围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。例如：最大测距围为 5m 时，脉冲间隔时间 t=2s/v=25/34030ms，实际应取 t30ms。发送的超声波脉冲经多路选择开关 CD4052 按序分别送到上、中、下三路发送转换能器上。采用缓冲器 CD4050 是考虑用其两个门来驱动一路发送换能器，以加大发射驱动能力。1.2 超声波

46、接收这 部分由接收换能器、多路选择开关、比较与控制等环节组成。由于在距离较远的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大 60 万倍左右。采有三级放大：前两级种放大 100 倍，采用高速精密放大器 LM318，其带宽为 15MHz，放大倍数为 100 倍时，能充分满足要求；第三级采用 LF353 运算放大器，带宽为 4MHz，对于 62 倍的放大倍数，能充分满足条件3,6。放大后的交流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是将交流 信号整形输出一个方波信号，此方波信号上升沿使 D 触发器触发，向 CPU 发中断申请。在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并结合温

47、度换算出的速度算 出发射到接收的距离。图 3 给出了一路超声波接收电路原理图（略去多路选择开关）。1.3 时间计测超 过波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机部的计数器 T1 来完成的。在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题是由于换能器之间的距离不 大，有部分声波未经被测物就直接绕射到接收换能器上。从发射开始一直到“虚假反射波”结束5这段时间，通过控制触发器(74LS74)不能触发，从而 不会发中断申请，可有效躲避干扰，但也会形成所谓的“盲区”。本系统的盲区约为 20cm 左右。 16 / 261.4 微机控制部分由单片机控制的多路选择开在来决定上、中、下三个通道分时工作的顺序。

48、CD4052 的 X 侧选择发送通道，Y 侧选择接收通道，由 89C51 的 P1.1 和 P1.2 按顺序发出通道选择信号，接到 CD4052 的 A、B 端，使发送通道与接收通道一一对应地接能。由于受环境温度以与超声固有宽波束角等因素的影响，超声传感器所测量的值与实际值总有一些误差。本超声测距系统采用曲线拟合的最小二乘法对测量数据进行拟合，使其精度达到4cm。2 2 系统软件设计系统软件设计2.1 超声数据的采集与处理软件本系统软件分两部分：主程序和中断服务程序。主程序完成系统初始化、选择能路号、控制发射和接收超声波等。主程序流程图如图 4 所示。中 断服务程序包括部 T0 中断和外部 I

49、NT0、INT1 中断服务程序。T0 设置为 30ms 中断一次，其任务就是每隔 30ms 产生 58 个 40kHz 的方波作 为超声脉冲并按序送到三个通道，即产生如图 2 所示的超声波发射脉冲，图 2 也给出了一个通道的工作时序图。T0 中断服务程序流程图如图 5 所示。INT0 中断 子程序读取 A/D 转换结果，并将相应数据值转换为环境温度值；INT1 停止 T0、T1 计数，根据 T1 容计算时间 T，并进行最终距离的计算。先计算超声波 传播速度：C=331.4（根号 1+t/273），再计算距离：D=CT/2，并将计算结果送入缓冲区以备通讯。T1 工作在方式 2，并设计成门控方式。

50、2.2 串行通讯程序为了不影响下拉机完成其他工作，本系统采用下位机以中断的方式向上位机发送测距数据，在测距主程序中开串行口中断。进入中断程序后，仍采用查询方式发送数据。上 位机（PC-586）以子程序的形式给出接收程序。若系统需要新的测距值时，就调用一次接收子程序。接收子程序框图如图 6 所示。接收子程序收到一个数据 后，判断数据传输是否有错，若有错就向下位机发“01”命令，下位机收到此命令后，则重表发送；若传输过程无错，向下位机发送“00”命令，下位机则继续 发送下一个数据。3 3 误差分析误差分析本系统最大测距误差在 8cm 左右，测距的盲区为 20cm。测距误差主要来源于以下几个方面：（

51、1）超声波波束对探测目标的入射角的影响； 17 / 26（2）超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发；（3） 超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速 都将产生直接的影响。因此需对声速加以修正。对于测距而言，引起声速变化的主要原因是媒质温度的变化。本文采用声速预置和媒质温度测量结合的方法对声速进 行修正，可有效地消除温度变化对精度的影响。影响测量误差的因素很多，还包括现场环境干扰、时基脉冲频率等。本系统硬件简单、容易实现、测距围比较大、测量误

52、差可以控制在4cm 左右。超声测距系统向上位机发送数据和下位机的数据采集相互独立，可以同时进行，保证了测距数据的实时性。超声波汽车测距仪超声波汽车测距仪1 1引言引言 在日常机场保障与维护过程中，工程车、充气车、电源车、加油车等诸多车辆常常需要在停机坪附近穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与飞机非常接 近，驾驶员的视野颇受限制，碰撞和拖挂飞机的事故时有发生，在夜航时则更显突出。为确保飞机安全，我们研制了一种测距告警装置，有效地提高了飞机在保障和 维护过程中的安全性和可靠性。 我们所研制的汽车测距告警装置的主要性能指标如下：作用距离 0.2 m测距精度0.05 m告警距离 1 m(可调)漏

53、警率 1%虚警率 0.01%2 2基本工作原理与框图基本工作原理与框图 此装置在单片机的控制下，利用超声波测距原理，测量低速行驶车辆与飞机的距离，当车辆与飞机的距离小于安全距离时，发出声光报警，并显示车辆与飞机之间 的距离，提醒驾驶员与时采取减速、制动等措施，从而达到避免车辆与飞机碰撞、拖挂等事故，其原理框 图如图 1 所示。整个系统由超声波发射、超声波接收、8031 单片机系统和声光报警、距离显 示等设备组成。 18 / 26图 1超声波汽车测距告警装置原理框图发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器与超声换能器组成。 单脉冲发生器在振荡器的每个周期都被触发，产生固定脉宽的

54、脉冲序列，来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换能器发射超声波。接收部分由超声换能器、接收放大器和编码解调器组成。接收到的超声波反射信号经超 声换能器转换、放大、解调后，送到单片机系统进行处理，并通过距离显示器显示车辆与飞 机之间的距离，当该距离小于设定的告警距离时，启动报警系统报警。在多台车辆同时作业时，某台车辆发射的超声波信号可能被其它车辆接收，从而因造成 系统混乱而产生误报。为解决这一问题，系统对不同的车辆进行不同的编码调制，使每辆 车只能接收到其本身发射的信号。为有效消除干扰，编码解调采用积累检测解调。编码解调的框图如图 2 所示。V1 为被放大后的含有干

55、扰的接收信号，经门限检测电路与门限电压 V0 比较后输出脉冲 V2（当 V1V2时，输出脉冲，反之无输出）。单稳电路 1 和单稳电 路 2 相互配合与或非门共同构成一个可以重新触发的单稳电路，通过此单稳电路，实现对脉冲序 列的延时积累，其输出为 V3，V3经积分器积分后输出 V4，最后经整形电 路整形后输出，V5并送入单片机处理。解调器的工作波形如图 3 所示。图 2编码解调器原理框图图 3解调器工作波形单稳电路时间常数的选择，要求使其展宽时间大于载波脉冲周期。若载波脉冲周期为 25 s，取单稳电路的展宽时间为两个载波脉冲周期（50s ），则当触发脉冲 V2 为单个脉冲时，经单稳电路之后，其输

56、出脉冲 V3的宽度为 50 s，当触发脉冲 V 2为两个连续脉冲时，经单稳电路之后，其输出脉冲 V3的宽度为75s，触发脉 冲为 3 个连续脉冲时，其输出脉冲 V3的宽度为 100 s ，其余依次类推。即使由于干 扰而使中间的某一触发脉 冲丢失，也可被后一个脉冲所触发。所以，在单稳电路展宽时间取两个载波脉 冲周期时，在 V2的脉冲串中，只要不连续丢失两个以上的脉冲，单稳电路的暂稳态 就可保持到被 V2脉冲串的最后一个脉冲触发。因此，单稳电路展宽时间应根据实 际干扰环境选取。展宽时间过小，则不利于对码元“1 ”的检测，展宽时间过大，又不利于 对码元“ 0”的检测，这一点可以从图 3 所示的波形中

57、看出。系统中的发射和接收部分由单片机控制轮流工作。在单片机编码发送完毕后，即转入接收状态，同时关闭发射 19 / 26部分的单脉冲发生器；当接收一定时间后再转入发射状态重发编码时 ，同时关闭接收放大器。因此，为保证测距正确，接收时间必须根据实际量程来限制时，众所周知，声波传播的距离 s、速度 c 与传播时间 t 之间的关系为：s=ct 。若系统量程为 5m，则接收时间 Ts应满足：3 3软件设计软件设计软件设计流程图如图 4 所示。图 4软件流程图系统上电初始化后，先使安装在车辆四侧的超声波收发装置处于发射状态并输出调制编码，同时开始计时，在调制编码发送完毕后，使收发装置处于接收状态，并巡回检

58、测四侧接收装置是否接收到返回信号。当某一侧检测到返回信号时，就 结束计时，并保存计时时间，同时接收返回信号编码，并将其与发送编码进行比较， 若两者相符，则计算车辆与飞机间的距离，并显示距离。然后将计算机所得的距离与设定 的告警距离进行比较，若小于告警距离就发出报警，否则返回重发。若接收编码与发射编码不相符，则返回重发。若四侧接收装置均没有检测到返回信号，则判断接收限时是否已到， 若接收限时未到，则继续巡回检测接收装置，否则返回发射状态重发编码。4 4结束语结束语经实际测试该装置完全达到了设计指标要求，具有测距精确、告警与时、灵敏度高等优点；实际应用时装置效果良好，有效地避免了机场事故的发生，具

59、有很高的应用价值。由于超声波的传播速度慢，传输延时较大，影响了系统告警的反应速度，因此只限于低速行驶 的车辆用，若要应用于高速车辆中，则需要进行改进。基于超声波时差测距法的倒车雷达设计引言引言 20 / 26 倒车雷达是用来探测车身周围的障碍物并显示其距离，以帮助驾驶员安全倒车或泊车的辅助电子设施1，在中高档汽车上的应用已逐渐普与，但多为无源探头倒车雷达。 目前高性能的倒车雷达大都采用有源探头，接收的回波信号在探头部放大整理后输出，发射信号也在探头部耦合驱动传感器，其抗干扰性更强，探头的互换性、一致性也更高。本文给出一种有源倒车雷达设计方案，使用超声波传感器，利用时差法来确定传感器和反射物之间

60、的距离，在驾驶员选择倒车挡时，向驾驶员提供监视围是否存在障碍物的指示。 设计要求设计要求 倒车雷达常用的超声波传感器直径为 14 毫米，工作频率 40KHz，驱动电压最高为 140Vp-p，其他的参数，如声压、阻抗、余震时间等参数请参看所用产品的说明书。根据 ISO17386 标准，主要的设计要求有： （1）额定电压-DC 12 V，工作电流-500mA MAX. 工作温度-30+80 。 （2）测量围：最大有效测量距离 140 厘米，最小测量距离 40 厘米。 （3）测量原理：采用飞行时间测量原理。激活的探头将创建超声波区域，在接收到探测区域对象所反射的能量后，测量出车辆与该对象之间的距离。