1 引言

随着汽车的日益普及，停车场越来越拥挤，车辆常常需要在停车场穿行、掉头或倒车。由于这些低速行驶的车辆与其它车辆非常接近，而且驾驶员的视野也颇受，碰撞和拖挂的事故时有发生，在夜间时则更显突出。

为确保汽车安全，本文将介绍一种超声波测距报警装置，可有效地避免此类事故的发生。

2 功能要求

此设计最终要实现在汽车进行倒车时，如果与障碍物的距离小于安全距离时，发出声光报警并显示车辆与障碍物间的距离，提醒驾驶员及时采取减速或刹车的措施。

3超声波简介  

频率高于20kHz的超声波不仅波长短、方向性好、能够呈射线定向传播，而且碰到界面就有显著的反射。这些特性有利于选用超声波做媒体，测定物体的位置、距离甚至形状等[1]。

3.1超声波传感器特性

超声波传感器的特性有以下四点：

(1) 在自身特性谐振点40kHz附近可获得较高的灵敏度；

(2) 谐振带宽、波束角可以通过制作工艺控制的很窄，有利于抗声波干扰设计；

(3) 不受无限电频谱资源，易于抗电磁干扰设计；

(4) 超声波系统成本低、性能稳定可靠，应用前景好。

3.2超声波测距基本原理

超声波测距的基本原理是超声波发射器不断地发射出40kHz超声波，遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S。在已知速度C的情况下，不难得出[2]

                           (1)

(1)式中，C为超声波音速，由于超声波也是声波，故C即为音速。音速为

                           (2)

(2)式中，为气体的绝热体积系数(空气为1.4)；

为气体的气压(海平面为1.013*106Pa);

气体密度(空气为1.29kg/m3)。

对于1mol空气，质量为m，体积为V，则密度

                          (3)

故

                    (4)

对于理想气体，有

                               (5)

(5)式中，R为摩尔气体常热；T为绝对温度。

因此，有

                           (6)

 由于、R、m均为已知常数，故是声速C仅与温度T有关。在空气中，C0=331.5m/s。

对于任意温度下，有

                         (7)

即

                       (8)

通过对上式实际分析可得，温度每升高，声速增加为0.607m/s，故可以得出声速与现场环境温度的经验公式是：

                           (9)

因此，只要测得超声波发射和接收回波的时间差T及现场环境温度，就可以精确计算从出发点到障碍物之间的距离。

4方案设计、电路及功能实现

4.1 超声波汽车倒车防撞系统硬件设计

4.1.1系统结构

此系统是在单片机控制下，利用超声波测距原理，测量汽车在倒车过程中与障碍物之间的距离。整个系统的硬件由发送部分、接收处理部分、温度检测部分、语音部分和距离显示及声光报警部分组成[3]。结构如图1所示。

图1 系统结构框图

4.1.2超声波发射电路

在本系统中采用的超声波传感器是一种开放型的，固有频率为40kHz，超声波发射电路如图2所示[4]。

图2 超声波发射电路

该电路采用由双非门组成的3点RC振荡电路，其振荡频率由如下公式计算：

                         (10)

将此频率调整为超声波发射探头的固有频率40 kHz左右，以产生最强的超声波信号，与非门A是超声波发射控制门，振荡器的振荡信号经4049放大后可直接推动超声波发射探头。二极管D1、D2起电压作用，电容C1用于隔离直流。

4.1.3超声波接收电路

超声波接收电路的作用是对接收的信号进行放大，并将放大后的信号处理成电路可以接收的电平信号[5]。如图3所示。

图3 超声波接收电路

图3中运算放大器4558A与4558B对接收的信号进行交流放大，放大后的信号经过二极管D5、D6整流后成为直流电压，此电压与基准电压放大器4558C比较后输出结果。

当超声波接收探头接收到超声波时，输出低电平，反之，输出高电平。

4.1.4 温度采集及V/F转换电路    

温度采样电路部分包括测温电桥、放大电路和V/F转换电路。测温电桥采用铂热电阻Pt100作为温度传感器。经过采样电桥采样后，将温度信号转换成电压信号，再经过放大后接入LM331组成V/F转换电路。该电路变换精度高，数字分辨力可达12位。

4.1.5声光报警电路

声光报警电路[6]由ＡP8821来完成。AP8821是API型21秒一次性编程语音芯片。它具有高质量的录音功能，采用ADPCM制，声音信息储存在512K的EPROM中，6K取样频率能存储21秒的声音数据。AP8821避免采用复杂的电路，但是能录制出不同的声音。它的声音可以根据需要分14段录制，分段组合可达到长时间录音，效果并不是简单的音符曲调，而是极其逼真的话语或模拟声响。AP8821有两个PWM引脚，VOUT1和VOUT2直接驱动喇叭或蜂鸣器，电流输出引脚VOUT，通过一个NPN晶体管来驱动喇叭或蜂鸣器，不需要复杂的滤波和放大电路。具有自动平滑功能，在放音结束时消除噪音。电流如图4所示。

图4 声光报警电路

4.2 超声波汽车倒车防撞系统软件设计

超声波传感器安装在汽车的尾部，起接受和发射传感器距离较近，之间容易有较强的干扰信号。为防止误测想象，在软件上采用延迟接收技术，以此提高系统的抗干扰能力[7]。

系统初始化，首先完成对温度的采集，确定该温度下的超声波速度；若控制键按下，发出声光报警，告知周围人员该车正在进行倒车，同时发出发射超声波指令，同时T0开始计数，受到反射波后T0停止计数，以此计算出发射和接受超声波的时间间隔；最后通过数值处理程序计算出被测得距离，送显示器显示。

本系统软件采用模块化设计，由主程序、测距子程序、测温子程序、显示子程序等主要模块组成。主程序框图如图5所示。

图5主程序框图

5 小结

本系统充分考虑了测量环境温度对超声波传播速度的影响，为了使车后行人知道汽车在倒车，及时进行避让，设计了“倒车，请注意！”的语音警告功能，同时有放光提示，提醒行人注意。因此，具有较高的适应能力和准确度，具有较好的应用前景。

5 参考文献

[1] 苗汇静，唐诗，谭博学．超声波汽车倒车报警器设计[J]．山东理工大学学报，2005，19（4）

[2] 戚兵等．用于汽车实施障碍检测的光学传感系统[J]．激光与红外，1999，29（1）

[3] 王福瑞．单片机微机测控系统大全[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1998

[4] 董子和等．超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统中的应用[J]．汽车电器，1997，（1）

[5] 赵文龙，苑鸿骥，熊丽云．汽车倒车测距仪中信号处理技术的研究[J]．厦门大学学报，2001，40（4） 

[6] 马大猷等．声学手册[M]．北京：科学技术出版社，1983  

[7] 卢红等．汽车防撞的激光监控系统设计[J]．武汉汽车工业大学学报，1997，19（3） 下载本文